现代电源技术功率变换 教程
新能源电源变换技术 第1章 电力电子电源中的功率器件
内容
电力电子电源中的功率器件 ＤＣ－ＤＣ 变换器原理及应用 软开关技术 三相 ＡＣ－ＤＣ 整流电路及控制算法 逆变电源原理及应用
第一章 电力电子电源中的功率器件 功率电子器件概述 常见的功率开关器件 功率器件的驱动电路
1.1 功率电子器件概述
功率电子器件的发展方向：
电容效应：势垒电容、扩散电容
反向恢复特性：二极管在关断时刻，由于少数载流子存储效应，正向导通电流
IF不能立即消失，在短时间内存在反向（即由阴极到阳极）电流，这个时间称 作反向恢复时间。根据反向恢复时间的大小，可分为：普通二极管(trr较大， 适用于低频场合，如1kHz整流电路)；快速恢复二极管(trr < 5us，适用于高频 整流/斩波和逆变电路)；肖特基二极管(适用于50V以下低压高频型器件).
（3）高频功率器件： 如 MOSFET、快恢复二极管、肖特基二极管、SIT等
按导电载波的粒子
（1）多子器件： 如 MOSFET、肖特基二极管、SIT、JFET 等
（2）少子器件： 如 IGBT、 GTR、 GTO、快恢复二极管等
按是否可控
半控型：晶闸管
功率器件
门极可关断晶闸管(GTO)
全控型
双极性功率晶体管
1.3.2 隔离驱动电路
MOSFET及IGBT的驱动电路绝大部分采用光耦隔离。
开通过程的时间为零
关断过程的时间为零
1.1.2 开关器件的分类
按制作材料：Si功率器件、Ga功率器件、GaAs功率器件、SiC功率器件、GaN 功率器件及Diamond功率器件
按工作频率：
（1）低频功率器件： 如可控硅，普通二极管等；
（2）中频功率器件： 如 GTR、 IGBT、IGT/COMFET；
2.1.1 现代电源变换器_绿色电源——电子设备电源管理技术与解决方案_[共12页]
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第2章现代电源应用技术2.1 现代电源变换技术2.1.1 现代电源变换器1．低压差线性稳压器（LDO）LDO具有成本低、封装小、外围元器件少和噪声小的特点。
在输出电流较小时，LDO 的成本只有开关电源的几分之一。
LDO的封装从SOT23到SC70、QFN，直至WCSP（晶圆级芯片封装），非常适合在手持设备中使用。
对于固定电压输出的使用场合，外围只需2～3个很小的电容即可构成整个解决方案。
超低的输出电压噪声是LDO最大的优势。
TI公司的TPS793285的输出电压纹波不到35 V，又有极高的电源抑制比（PSRR=70dB，在10kHz处），非常适合用作对噪声敏感的RF 和音频电路的供电电路。
同时在线性电源中因没有开关时大的电流变化所引发的电磁干扰（EMI），所以便于设计。
但LDO的缺点是效率低，且只能用于降压的场合。
LDO的效率取决于输出电压与输入电压之比：η=V OUT/V IN。
在输入电压为3.6V（单节锂电池）的情况下，输出电压为3V时效率为83.3%；而在输出电压为1.5V时效率则下降为41.7%，这样低的效率在输出电流较大时不仅会浪费很多电能，而且会造成芯片发热，影响系统的稳定性。
LDO由稳压元件、误差放大器、反馈电路以及基准电压源组成。
它的外部元件是一个输入电容器和一个输出电容器。
LDO的特点是：输出噪声电压低，电源电压变化对它的影响小，负载变化时它的响应很快，以及静态电流小。
由于稳压元件工作在线性模式下，不需要把它完全打开或完全关闭，因此，它的静态电流非常小。
LDO的缺点是输出电压只能低于输入电压，而且它的转换效率随着输入电压和输出电压之差的增大下降。
LDO的内部结构如图2-1所示。
从图2-1中可以看到，LDO电流主通道在其内部由一个MOSFET加一个过流检测电阻组成，肖特基二极管用于反向保护，输出端的分压电阻取出反馈电压去控制流过MOSFET的电流大小，使能端EN可从外部去控制LDO的工作状态。
功率变换技术及应用方向
功率变换技术及应用方向功率变换技术是电子领域中重要的技术领域之一，主要用于将电能从一种形式变换为另一种形式或改变电能的性质，以满足不同的功率需求。
功率变换技术的研究和应用非常广泛，可以应用于各个领域，如电力系统、工业控制、电子设备、通信系统等。
本文将重点介绍功率变换技术的基本原理、具体的应用领域，以及未来的发展方向。
功率变换技术的基本原理是通过电子器件将输入电流和电压转换为输出电流和电压，实现功率的变换。
常见的功率变换技术有直流-直流（DC-DC）变换、交流-直流（AC-DC）变换和交流-交流（AC-AC）变换。
DC-DC变换主要用于改变直流电源的电压或电流，常见的应用包括电池充电器、电动车充电器等。
AC-DC变换主要用于将交流电转换为直流电，常见的应用有电源适配器、开关电源等。
AC-AC变换可以实现交流电的频率和相位的变换，常用于交流电调节、变频器等。
功率变换技术的应用非常广泛。
在电力系统中，功率变换技术可以应用于输电线路的无功补偿、电能质量的改善、电网频率的调节等。
在工业控制中，功率变换技术可以实现电动机的调速、电器设备的起动、变频调速、无级变速等。
在电子设备中，功率变换技术可以用于电池的充电、电源适配器设计、LED驱动等。
在通信系统中，功率变换技术被应用于射频功率放大器、无线充电、电源管理等。
未来，功率变换技术还有很大的发展空间。
首先，随着可再生能源的广泛应用，如太阳能和风能等，功率变换技术将在分布式发电和能量存储领域发挥重要作用。
其次，随着电动汽车的普及，功率变换技术将在电动车充电设备和动力电池管理系统中得到广泛应用。
另外，随着物联网的快速发展，功率变换技术还可以应用于智能家居、智能电网等领域，实现电能的高效利用和管理。
此外，功率变换技术的未来发展还有一些技术方向。
首先，提高功率变换器的转换效率是一个重要的方向，以减少能量损耗和提高能源利用率。
第二，提高功率变换器的工作频率和功率密度，以减小体积和重量，并提高响应速度。
现代电源技术第5章 交流-交流变换电源
图5-3 一种接触式自耦调压器
实质是只有一个绕组的变压器，作为 降压调压器使用时，从绕组中抽出一 部分线匝作为二次绕组；当作为升压 调压器使用时，外施电压只加在绕组 的一部分线匝上，通过手动控制电刷 的移动来调节绕组中抽出线匝的匝数。 同时属于一次和二次的那部分绕组称 为公共绕组，其余部分称为串联绕组。 与同容量的普通变压器相比，尺寸小 且效率高，且变压器容量越大，电压 越高。
速率，提高能量转换效率的效果。 3.与接触式自耦调压器相比，具有更广阔的应用
场合
开关型交流调压电源分类
➢ 通断控制：即用晶闸管作为开关，将负载与交流电源接通几个周期， 然后再断开一定周期，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这 种控制方式电路简单，功率因数高，缺点是输出电压或功率调节不 平滑，开关的通断引起对电网的冲击，从而引起电网电压闪变。适 用于较大时间常数的负载，例如负载热时间常数较大的电热控制系 统。
第5章 交流-交流变换电源
交流-交流变换电源
➢ 把一种形式的交流电变换成另外一种形式交流电的 电路，主要是对交流电的电压和频率进行变换。
➢ 变换方式：“交流-直流-交流”间接变换和“交流交流”直接变换。
➢ 实例：在马路边常能见到的杆上变压器或箱式变压 器就是一种对电压进行变换的交流-交流变换电源， 它们可以将10kV中压交流电变成220V交流电供路灯 和其他公用设施使用。
1.交流开关：采用通断控制；即将两个晶闸管反向并联后（或采用 双向晶闸管）串联到交流电路中，通过控制晶闸管控制交流 电路的通断。与电磁机械开关相比，具有响应速率快，寿命 长，无火花或电弧等优点，由于晶闸管总是在电流过零时关 断因而不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态过电压和 EMI电磁干扰。
2.交流调功：采用通断控制；以交流电的周期为单位控制晶闸管的 通断，将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周 波，通过改变接通和断开周波数的比值来调节负载所消耗的 平均功率。常用于电炉温度控制（时间常数大），其直接调 节对象是电炉的平均输出功率。控制晶闸管导通的时刻都是 在电源电压为零的时刻，在交流电源接通期间负载电压电流 都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。
《电源的等效变换》课件
变换原则
变换前后，电源的功率应 相等。
Y-Δ等效变换的计算方法
01
计算步骤
注意事项
02
03
计算实例
首先找出Y形和Δ形网络中对应元 件的数值关系，然后根据这些关 系计算出新的元件数值。
在变换过程中，应保持电路的结 构不变，即支路电流和支路电压 的数值和方向均应保持不变。
以实际电路为例，详细介绍如何 进行Y-Δ等效变换的计算。
实例三
一个电路中有两个电源，一个为10V的直流电源，另一个为5A的直流 电源，求总电压和总电流。
03
电源的Y-Δ等效变换
Y-Δ等效变换的基本原理
01
02
03
定义
将一个Y形网络变换为Δ形 网络，或反之，以便简化 电路的分析和计算。 Nhomakorabea前提条件
变换前后电路的伏安关系 应保持不变，即对外电路 来说，变换前后的电压和 电流应分别相等。
02
电源的串并联等效变换
电源串联等效变换
串联等效变换的概念
当多个电源串联时，总电压等于各电源电压之和，总电流等于各 电源电流之和。
串联等效变换的公式
总电压 (V_{total} = V_1 + V_2 + ... + V_n)，总电流 (I_{total} = I_1 + I_2 + ... + I_n)。
电源等效变换的应用场景
在电子工程中，电源的等效变换广泛应用于电路的分析和设计中。例如 ，在模拟电路、数字电路、电力电子等领域中，都需要用到电源的等效 变换。
在电力工程中，电源的等效变换可以帮助我们更好地理解电力系统的运 行原理，提高电力系统的稳定性。
在实际生活中，电源的等效变换也广泛应用于各种电子设备和电器的设 计和优化中。例如，在电视、电脑、手机等各种电子设备中，都需要用 到电源的等效变换来提高设备的性能和稳定性。
3 电路的基本定律与分析 独立电源的等效变换《电工技术》教学教案
电路的基本定律与分析——独立电源的等效变换一、教学目标1. 理解电路的基本定律，包括欧姆定律、基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。
2. 学会使用独立电源的等效变换方法，将复杂的电路简化，便于分析和计算。
3. 能够运用所学知识解决实际电路问题。
二、教学内容1. 电路的基本定律：欧姆定律、基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。
2. 独立电源的等效变换：理想电压源与理想电流源的等效变换。
三、教学重点与难点1. 教学重点：电路的基本定律的运用，独立电源的等效变换方法。
2. 教学难点：独立电源的等效变换在不同电路中的应用。
四、教学方法1. 采用讲授法，讲解电路的基本定律和独立电源的等效变换方法。
2. 利用示例电路，演示独立电源的等效变换过程。
3. 引导学生运用所学知识分析实际电路问题，提高解决问题的能力。
五、教学过程1. 引入新课：回顾电路的基本定律，引出独立电源的等效变换。
2. 讲解电路的基本定律：欧姆定律、基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。
3. 讲解独立电源的等效变换：理想电压源与理想电流源的等效变换。
4. 示例演示：利用示例电路，演示独立电源的等效变换过程。
5. 练习与讨论：引导学生运用所学知识分析实际电路问题，进行练习和讨论。
6. 总结与拓展：总结本节课的主要内容，提出拓展思考问题。
7. 布置作业：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、教学内容1. 电路的功率分析：电路的总功率、有功功率、无功功率和视在功率的概念。
2. 功率因数的计算：了解功率因数的概念，学会计算电路的功率因数。
七、教学重点与难点1. 教学重点：电路的功率分析方法，功率因数的计算。
2. 教学难点：电路中不同类型的功率之间的关系，功率因数的改善方法。
八、教学方法1. 采用讲授法，讲解电路的功率分析和功率因数的概念。
2. 通过示例电路，演示功率因数的计算过程。
3. 引导学生运用所学知识分析实际电路的功率问题，提高解决问题的能力。
九、教学过程1. 引入新课：回顾电路的功率概念，引出功率因数的计算。
电源变换和控制技术基础知识课件.ppt
（于U转D折SM电、压UR（SMU）bo）的。90%。正向断态不重复峰值电压应小
通下、态稳平定均结电温流不IT(A超V)过：额在定环结境温温时度，为晶40闸℃管和允规许定流的过散的热最条大件
工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。
维几十持到电几流百IH：m维A。持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为
VD2 VD 4
负 载
Uo
VT1 VT3 f
u1
u2
VD
VD 2 VD4
负 载
Uo
机械工业出版社
第2章 电源变换和控制技术基础知识
29
续表2-2
单相 桥式 全控
VT1 VT 3 L f
u1
u2
VT 2 VT4
Cf
负 载
Uo
VT1 VT3 L f
u1
u2
VT2 VT4
负 载
Uo
三 相 半 波 三相 桥式 半控
Lf
负 载
Uo
VD3 Cf
负 载
U
o
VD1 VD3 VD5 f
Cf
负 载
Uo
Lf VD1 VD2
U in
VD3 VD4
VD1 VD2 VD3
负 载
Uo
Lf
负 载
U o
VD1 VD3 VD5 Lf
负 载
U o
VD4 VD6 VD2
VD4 VD6 VD2
第2章 电源变换和控制技术基础知识
28
b、晶闸管整流电路――相控整流
K
I
A
电路符号
URBO
IF
0
UTO
UF U
图2-1 电力二极管电路符号及伏安（V－A）特性
《新能源电源变换技术》课程标准
《新能源电源变换技术》课程标准一、课程基本情况一、课程编码及课程名称课程编码：16123301课程名称：新能源电源变换技术二、学时及学分总学时数：88，其中，讲授学时：64，实践（实验）学时：24。
学分：4三、适用专业及开设学期适用专业：光伏发电与应用技术专业开设学期：第4学期四、课程的性质、目标和任务新能源电源变换技术是可再生能源领域中占有重要地位的一门学科，它包括太阳能、风能、生物质能、可燃冰、潮流能、潮汐能、波浪能、温差能和盐差能等利用技术。
这些能源的应用研究内容主要是计算各方面自然存在的能量，再通过研究不同机构用其吸收这些能量，将其转换为机械能，带动发电机工作。
它的应用是一门多学科的综合技术，这包括大气环境、海洋环境学、流体力学、机械设计、电工及电控学等。
通过课程学习使学生掌握新能源能利用技术的基本理论与研究方法。
通过学习使学生了解太阳光伏、太阳热能、风能、生物质能、潮汐能、地热能等可再生能源发电及燃料电池发电技术；了解电力系统中的各种储能技术及最新发展，包括超导储能、飞轮储能、电池储能、超级电容及抽水蓄能技术等；了解用于可再生能源的电力变换技术，包括变换拓扑、工作原理及性能分析；以及分布式发电系统和主干系统的相互影响及其运行与控制；了解国内外最新的可再生能源发电应用工程情况等。
五、课程的基本要求通过该课程学习可使学生了解可再生能源的生成、特点及利用方法，使学生基本掌握新能源应用研究的技术手段。
掌握太阳能、风能发电的机理及设备；燃料电池发电的机理；各种储能技术；电力电子功率变换电路；分散电源对大系统的影响分析等。
六、课程教学内容第一章绪论（共2学时）（一）本章教学目的和要求通过本章学习，对本课程所学习的知识有一个初步的了解，掌握课程的学习方法。
要求学生对能源有一个概括的认识。
（二）教学内容第1章新能源发电与控制技术导论1.1能源储备与可持续发展战略1.1.1我国的能源结构与储备1.1.2我国的可持续发展战略1.2能源的分类与基本特征1.2.1能源的分类1.2.2能源的基本特征1.2.3新能源及主要特征1.2.4分布式能源及主要特征1.3新能源发电——能源转换的重要形式1.3.1新能源发电技术的应用1.3.2我国新能源发电的现状1.3.3新能源发电及电源变换的主要形式1.4新能源发电与控制技术的经济意义1.4.1能源是经济发展的引擎1.4.2新能源发电的经济意义本章小结（三）重点与难点重点：1.能源的基本分类难点：1.新能源的开发及发展趋势第2章电源变换和控制技术基础知识（6学时）（一）本章教学目的和要求通过本章学习，对本课程所学习的知识有一个初步的了解，掌握常用电力电子器件的基本知识、使用方法。
现代交流伺服系统 第6章 交流伺服系统的功率变换电路
Idc 2
URM 2Uφ
I D(AV)
Idc 3
URM 2UCI
5
6.2.2 滤波电路的设计
• 滤波电路的主要构成 在电压型逆变器中，滤波元件主要是采用电解电容器。
• 滤波电容器的主要参数 滤波电容器的选择主要考虑以下三个因素：电容器的额定电压、滤波电路纹
波电压及电容器的额定纹波电流。 • 纹波电流 ➢ 滤波电容器流过的纹波电流主要包括两部分：从工频电源通过整流电路流入的
➢ 它与RC缓冲电路不同，由于带有缓冲二极管，缓冲电阻值可以取大，能够避
免导通时，集电极电流增大影响IGBT的问题；
➢ 与放电阻止型RCD缓冲电路相比，由于在缓冲电路上产生的损耗非常大，不适
合高频开关电路。
充放电型RCD缓冲电路电阻上产生的损耗可以根据下式计算
P
LI
2 0
f
CSU
2 d
f
2
2
16
6.2.4 缓冲电路的设计表6-1 输入交流电压和Fra bibliotek件额定电压关系
输入交流电压/V
180~220
380~440
480~575
器件额定电压值/V
600
1000~1200
1400
7
6.2.3 逆变电路的设计
• 电流额定值的确定
器件额定电流值由逆变电路容量与伺服电动机功率之间的关系得到
PCN
PM cos
ICMAX
2kolkirp PCN 3U CN
8
6.2.3 逆变电路的设计
（2）正弦波PWM逆变电路开关器件损耗的计算
• IGBT饱和损耗
IGBT的饱和损耗为：
P(sat)AV
1 ICPUCE(sat) (8
现代电源变换技术2
二、具有隔离的直流变换器
具有隔离的直流变化器也可以按单管、双管和 四管分类： （1）单管隔离直流变换器有 正激（Forward） 反激（Flyback） （2）双管隔离变换器有 推挽（Push－Pull） 半桥（Half－bridge）。 当然也有双管Forward变换器和双管Flyback变 换器，这两种变换器的工作原理和单管构成的变 换器工作原理基本相同。而四管隔离直流变换器 只有桥式（Full－bridge）一种。
推挽直流变换器开关管的电压是电源电压的两 倍，因而大多用于电源电压较低的场合。半桥变换 器则不同，开关管承受的电压为电源电压，故可在 电源电压较高的场合使用。 半桥变换器是 由半桥逆变器、高频 变压器和输出整流滤 波器电路组合而成的， 因此也属于直流－交 流－直流变换器。
（4）半桥（Half－bridge）直流变换器
•若T1导通，则VAB＝ 1/2Us若T2导通，则VAB＝ －1/2Us。所以变压器副 边空载输出电压U0为一 小于180电角的方波交流 电，宽度等于Ton，Ton为 T1和T2的导通时间。U0的 频率等于开关频率。
（5）全桥（Full－bridge）变换器
全桥直流变换器由全桥逆变器、高频变压器和输出 整流滤波电路组成，也属于直流－交流－直流变换 器。
• 半桥逆变器的主电路图，由两个相等的电容C1和C2构成一个 桥 臂，开关管T1和T2及其续流二极管D1和D2构成另一个桥臂，两桥 臂的中点A和B为输出端，可以通过改变变压器输出，也可以由 这两端直接输出。因为电容C1＝C2容量较大，故VC1＝VC2＝1/2Us， 中点B的电位基本不变，为VB= 1/2Us。A点的电位则取决于器件 的工作情况。