1、电力电子装置,Power Converters 主讲：万蕾迎,电力电子技术回顾 一、电力电子技术的外延与内涵,从外延上看电力电子技术定义利用半导体电力开关器件组成电力开关电路，利用晶体管集成电路和微处理器芯片构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适时的控制，可以经济有效的实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。,电力电子技术的内涵应用大功率电力电子开关器件实现电能的变换和控制,有什么特点？,有什么优点？,二、电力电子技术的研究内容 1、从技术层面看电力电子技术的研究内容 （1）拓扑结构研究 如何实现希望的电能变换 各种电力电子器件的应用
2、和连接结构 如何提高变换器的性能 多种电路方案的性能比较研究 如何提高变换器的效率 软开关、新结构 如何提高变换器的功率 器件串、并联电路串、并联多相多重多电平,（2）控制技术研究 如何产生电路希望的控制信号 模拟PWM信号数字PWM信号 如何提高变换器的性能 模型的建立静态指标、动态指标稳定性分析与校正 如何提高变换器的效率 新的PWM信号 如何实现智能化 数字化、网络化,（3）电磁兼容研究 如何减小干扰源 开关电源产生电磁干扰的机理缓冲、吸收软开关 如何减小耦合途径 滤波、屏蔽、布线、布局 敏感对象对干扰的敏感度 噪声和电磁波对设备影响研究,（4）装置与系统新的应用领域 如何用现有电路组合
3、或设计新的电路以适应新领域的应用要求新的设计与制造思路和技术 冗余、集成、模块化复杂系统问题 系统的最优结构与协调运行其他问题 故障监测与诊断 经济性、可靠性功率因数校正,2、从应用层面看电力电子技术的研究内容开关型电力电子电源开关型电力电子补偿控制器,光伏发电系统,风力发电,开关型电力电子补偿控制器,谐波电压、电流补偿器 无功功率补偿器 有功功率补偿器 阻抗补偿控制器 节点电压 控制器 瞬变电压控制器,第一章 绪论,器件、高频化、集成模块化三大技术。趋向理想化、微型化、可靠性。 1、课程简介（电力变流器） （1）装置：满足一定功能要求的，可以独立使用的器具，如果具有商业价值，可成为产品或商品
4、。90%的电能经过变换后使用。电力电子技术为电力工业的发展和电力应用的改善提供先进技术，核心是电能形式的变换和控制，通过电力电子装置实现应用。 （2）电力电子装置：以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。,电力电子装置,电力电子装置控制系统 电力电子装置和负载组成的闭环系统在设计电路参数时，必须考虑负载因素（功率、特性等）,电力电子装置的发展三大特征： 电力半导体器件、高频化和软开关技术、电力电子系统的集成技术。 （1）1960-2000年，电力半导体器件从双极型发展为MOS型器件，改进了电力电子变换器的性能，使
5、电力电子系统可能实现高频化，大幅度降低导通损耗，电路更简单。 （2）1980-2000年，高频化和软开关技术的开发研究，使电力电子功率变换器性能更好，重量更轻，尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。 （3）1995年至今，集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开始发展，是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。,1、电力半导体器件 电力MOSFET：1979年，电力MOSFET场效应晶体管问世。输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好，可替代电力晶体管和中小电流的晶闸管，使电力电子电路和系统可能实现高频化。电压电流定额：500V/240A，1500V/200A但击穿电
6、压越高，通态电阻Rdson越大。 1998年，Infineon公司推出冷MOS管，采用超级结结构，又称超结电力MOSFET，工作电压600-800V，通态电阻降低一个数量级，但仍保持开关速度快的特点。 绝缘栅双极晶体管：1982年，将双极晶体管和电力MOSFET组合，开发出绝缘双极晶体管，取名为IGT，后国际电力电子界通称为IGBT。 将MOS门极的输入特性和双极晶体管的良好输出特性的功能集成在一起。通态压降小，电流密度大，可替代电力晶体管和中小电流的晶闸管。公认的最有发展前景。 IGBT的技术进展实际上是通态压降、快速开关和高耐压能力的折中。,IGBT未来发展方向是（1）逆阻型IGBT模块，
7、减小输入电流畸变；（2）最佳模块组合，减小通态噪声；（3）抑制du/dt和di/dt的能力，减小噪声发射。IGBT刚出现时，电压电流定额600V、25A，很长一段时间，耐压水平限于1200-1700V。现在IGBT的电压电流额定值已达到3300V/1200A，4500V/1800A等，高压IGBT单片耐压达6500V，一般IGBT的工作频率上限为20-40KHZ，应用新技术制造的IGBT，可工作于150KHZ（硬开关）和300KHZ（软开关）。集成门极换流晶闸管（IGCT）：1997年出现的新型高压大电流器件，简称IGCT。利用MOSFET的优点，将MOS技术与晶闸管组合。损耗比可关断GTO小
8、，接线比GTO简单可靠，可采用风冷。开始应用于中大功率的电力电子系统，如MW级变频器，新型静止无功补偿装置等。4500V/4000A IGCT的参数为工作频率1KHZ，正向压降2.7V， di/dt=1000A/us。碳化硅电力半导体器件：碳化硅是电力半导体器件晶片的理想材料。优点是：禁带宽，工作温度高（可达600度），热稳定性好，通态电阻小，导热性能好，漏电流小，PN结耐压极高，有利于制造出耐高温的高频大功率电力半导体器件。,现在电力电子技术中已开始用SiC器件代替Si器件。 如：SiC肖特基二极管已有商品问世，定额为300V、600V、1200V/20A，反向恢复时间接近于0。 据电力电子
9、杂志2004年第4期报道，已试制出一批SiC器件样品，如SiC 电力MOSFET，定额为750V/15mA,Rdson=66毫欧，1998年研制出耐压达1400V，通态电阻311毫欧的SiC 电力MOSFET ，其他如SiC 晶闸管，950V/6A，通态压降3.67V,1999年研制出耐压达790V，通态压降15V,电流密度75 A/cm2的SiC IGBT。 SiC是21世纪最可能成功应用的新型电力半导体器件材料。,2、高频化和软开关技术 1、电力电子设备的小型轻量化和高功率密度化。电力电子设备的发展方向之一是小型化，降低其体积、重量，提高功率密度。为实现电源高功率密度，须提高PWM变换器的
10、工作频率，以减小电路中储能元件的体积和重量。 2、高频电力电子技术 1980年前，开关变换器的工作频率为20-50KHZ，现在200-500KHZ成为输出100W以下DC-DC电力变换器的标准开关频率。特殊制造的小功率电源，开关频率达几兆赫兹。 小功率（200W以下）高频DC-DC变换器作成标准模块，外形象一块砖。根据国际标准，按外形尺寸，以砖为标准单位分类，如1/8砖、1/4砖、半砖（尺寸为0.8in2.3in0.36in ，1.45in2.3in0.4in,2.4in2.3in0.4in)和全砖。高频化、高功率密度和高效率是开关变换器技术发展进步的重要标志。,3、高效率和软开关技术 高频化
11、可缩小感性和容性元件的体积重量，频率越高，开关损耗越大，在开关过程中开关器件的电压和电流波形不相重叠的技术，即零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术，为软开关技术。 20世纪90年代中期，30A/48V开关变换器用移相全桥ZVS-PWM技术后，比用PWM技术的同类产品重量下降40%。 20世纪末，国内生产的通信用50A-100A输出，全桥移相ZVZCS-PWM开关变换器的模块的效率超过93%。,4、同步整流技术 对低电压大电流输出的开关变换器，进一步提高效率的措施是：在应用软开关技术的基础上，以电力MOS管反接作为整流用开关二极管，称为同步整流，代替肖特基二极管，可降低整流管压降，提高
12、效率。 日本文献报道，一台100W输出的软开关变换器，用SBD的变换器效率为83%，电路损耗（包括整流器件、变压器、开关器件、控制电路、滤波器等）21W，而用SR的变换器效率为90%，电路损耗仅11W。5、压电变压器 应用压电变压器，可使变换器实现轻、小、薄和高功率密度。 压电变压器利用压电陶瓷材料特有的电压-振动变换和振动-电压变换的性质传送能量，等效电路如并联谐振电路。 国内已开发出50W的压电变压器。 在高频变换器中，压电变压器的应用：输出24W、12V的2MHZ DC-DC变换器。,6、新型电容器的开发 据报道，美国南卡罗里那洲KEMET电子公司在20世纪90年代末，已开发出330uf
13、的新型固体钽电容，ESR从原来的500毫欧降到30毫欧。 对电容器要求：电容量大，等效串联电阻（ESR）小、体积小。,电力电子集成技术 电力电子产品标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本。 电力电子变换器的电力电子器件的互连引线多、寄生电感大。为使结构紧凑，体积小，加工方便，缩短开关器件间的互连导线，减小电感，电力电子器件须实现模块化、集成化。 1、电力电子器件模块 将若干电力开关器件和二极管组合成标准的电力电子器件模块。 2、智能功率模块 20世纪80年代，智能电力电子模块，将电力电子器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封装，又称为智能电力电子集成电路。 近年来的发展方向，将小功
14、率系统集成在一个芯片上，可使电力电子产品更为紧凑、体积更小，减小了引线长度，减小了寄生参数。 3、集成电力电子系统 将电力电子器件与电路、控制 以及检测、执行等元器件封装，得到集成电力电子模块，可快速、高效地为用户提高产品质量，降低成本，提高可靠性。,分类电力电子装置一般可以分为两大类型： 电源装置,它能将输入的电力变换为负荷所要求的合适电力来做功； 电力补偿与调节控制装置，它能改善电能质量，使供电线路上的电能质量满足要求，使电力能发挥作最大功的能力。如：无功功率补偿器、电力有源滤波器。,电源装置是实际有机电磁的电工电源（如发电机与电子电源两类） 电子电源是用电子技术方式将输入电力转换为负载所
15、需要规格的电力，也分为两类，线性电源（如模拟电子技术课程中的线性电源）和电力电子电源（用开关变换方式，本课程讲授的内容）,电源装置,电源装置可以分为工作电源与驱动控制电源两小类： 前者为电工、电子设备提供工作电力； 后者作为驱动控制电源使电机类负荷得到更好的控制动力。由于课程学时数限制，本课程主要讲解工作电源。,AC/DC变换器 DC/DC变换器 DC/AC变换器 AC/AC变换器,电源装置,AC/DC变换器（整流器） 具有不控、半控、全控等控制方式及桥式、双半波等结构； 传统的不控和相控整流方式：控制简单、效率高，但具有滞后的功率因数，且输入电流中低次谐波含量较高，对电网污染大； 目前，使输
16、入电流波形接近正弦，功率因数接近1的高频整流器，及各种功率因数校正（PFC）器正逐步应用于整流装置中。,DC/DC变换器 将一种电压、电流规格的直流电变换为另一种规格的直流电的装置 主要用在直流电机驱动和开关电源中 谐振和准谐振软开关DC/DC变换器是目前研究的热点。提高工作频率和功率密度，是主要目的。,DC/AC变换器（逆变器） 用于将直流电变换为交流电，根据输出电压及频率的变化情况，可分为CVCF及VVVF两类，当前逆变器发展中的研究热点集中在输出量控制技术、高频链技术及软开关技术上。,AC/AC变换器 用于将一种规格的交流电变换为另一种规格的交流电。输入和输出频率相同的称为交流调压器。频
17、率发生变化的为周波变换器或变频器。 AC/AC变换器目前以相控为主，主要用于调光，调温及低速大容量交流调速系统。中、小容量电机驱动变频器大多采用交-直-交间接变换。基于PWM理论的矩阵变换和许多高频链变换方式近来相继被提出，目前正处于研究阶段。,电力电子装置的应用概况 应用在供电电源、电机调速、电力系统等方面。 1、直流电源装置 （1）通信电源 一次和二次电源为直流电源。一次电源将电网的交流电转换为48V的直流电;二次电源将48V直流电转换为通信设备内部集成电路所需多路低压直流电. （2）充电电源 便携式电子产品的电池，UPS的蓄电池，电动汽车和电动自行车用蓄电池及脉冲激光器储能电容电路等需要
18、充电。 （3）电解、电镀直流电源 电解电镀低压大电流直流电源，消耗总发电量的50%。电力半导体器件组成的直流电源效率高，利于节能。 （4）开关电源 通信设备、办公自动化设备和家用电器等设备内部用AC/DC、DC/DC开关,开关电源不断发展，全球市场规模达100亿美元/年以上。DC/DC开关变流器用高频软开关技术，功率密度达120W/立方英寸，效率达90%。交流电源装置 1、交流稳压电源 电网电压波动、波形失真、重要设备需用交流稳压电源得到高品质用电。如医疗设备用电子交流稳定电源稳压。 2、通用逆变电源 在航天、船舶工业、可再生能源发电系统等。如特殊船舶上基本电源是蓄电池，50HZ逆变器为计算机
19、、无线电等供电，400HZ逆变器为雷达、自动舵供电。 3、不间断电源UPS 用于计算机及网络技术。,特种电源装置 1、静电除尘用高压电源 如煤气生产中用静电除尘清除煤气中的焦油。除尘设备用高压电源产生高压静电，用高压静电吸收尘土。 2、超声波电源 超声波探伤、医疗器械等。超声波电源是交-直-交变频器，输出频率在20KHZ以上。 3、感应加热电源 热效率高，对工件加热均匀、可控性好，环境污染小。电磁炉是小型感应加热电源，需要高频交流电源。 4、焊接电源 用低压大电流产生电弧熔化金属。模块化的IGBT电焊机应用广泛。,电力系统用装置 1、高压直流输电 线路上没有无功损耗和系统稳定性问题。高压大功率
20、整流器和逆变器为关键技术。葛洲坝-上海，三峡-常州异地输电等用高压直流输电。 2、无功功率补偿装置和电力有源滤波器。 无功功率补偿装置可提高电网的利用率，有源电力滤波器用于吸收电网谐波以提高电网的电能质量。有源电力滤波器动态响应快、补偿特性不受电网阻抗影响。 3、电力开关 如晶闸管控制电容器组的投切补偿无功功率等。,电机调速用电力电子装置 电机耗电量占工业耗电量的80%。使用调速装置可稳定速度并降低用电量。调速装置包括直流调速装置和交流调速装置。如交通运输中，城市地铁、轻轨等的推进采用直流斩波调速系统，铁路机车、磁悬浮列车等的推进采用变频调速的交流传动系统。其他实用装置 1、电子整流器和电子变
21、压器。 荧光灯用的电子整流器和霓虹灯用电子变压器等，采用高频化，电感体积缩小，消除工频噪音，提高功率因数，节能。 2、空调电源 变频电源，节能降噪。 3、微波炉，应急灯等电源。,电力电子装置的发展前景 1、交流变频调速 中、小容量的变频器加快智能化和集成化进展，可实现变频逆变器的单片功率集成；大容量交-交变频器被IGBT、GTO交-直-交变频器取代。多电平逆变器成为高电压电动机调速的主流。 2、绿色电力电子装置 高功率因数和低谐波的电力电子装置为绿色电力电子装置。 功率因数补偿和零电压或零电流开关技术的研究，为绿色电源产品奠定了基础。 3、电动车 电动车的推广要求先进的电动机、先进的驱动电源、
22、先进的电动机控制方法，先进的充电装置。 4、新能源发电 如太阳能发电可利用电网蓄能并调节用电，白天向电网送电，晚间由电网供电，连接太阳能电池与电网的是逆变电源装置。 5、信息电源 通信系统中大量的DC-DC低压电源，计算机用1V、100A的低压大电流快响应电源等。,半导体电力电子器件,1、电力二极管 单向导电性 散热 反向恢复时间 快速恢复二极管 二极管在未恢复阻断能力之前，相当于短路状态 普通二极管trr=2-10us 快速恢复二极管trr为几十至几百ns,2、晶闸管 擎住电流IL 脉冲宽度 维持电流 要关断晶闸管，必须使阳极电流小于维持电流 额定电流：普通晶闸管、双向晶闸管,3、电力晶体三
23、极管BJT、GTR 二次击穿 开关过程ton、toff,4、功率场效应管MOSFET 高频工作方式 单极性导电，开关速度快 寄生体二极管D，有反向恢复过程，易引起管子损坏 导通电阻具有正温度系数，便于并联使用 一般选择耐压高，Ron小的管子 Ron小，开关电源效率高,5、绝缘门极双极型晶体管IGBT 栅极驱动性能类似MOSFET 输出具有双极型晶体管特点 寄生晶闸管-擎住效应-失控 为防止擎住效应，IGBT工作电流不能超过规定的最大值，并尽量减小关断时的du/dt.,6、半导体电力开关模块和电源集成电路 电力开关模块 功率集成电路PIC 智能功率模块,7、驱动电路 双极型器件的驱动-电流驱动
24、基本要求：驱动电流波形为最佳、隔离与保护 单极型器件的驱动-电压驱动 驱动功率小，稳态无电流，仅有动态位移电流 基本要求：驱动电压最佳（一般+15V，-5V）、隔离与保护 驱动电路结构 直接式：分立元件构成、集成驱动芯片 驱动线一般用双绞线且尽量短，避免受干扰。,直接驱动电路,隔离驱动电路,8、驱动电路参数对器件性能的影响 IGBT的极限参数与性能关系,电力电子器件的应用技术 散热技术 缓冲技术 保护技术,缓冲电路缓冲电路的主要作用是：抑制开关器件的du/dt、di/dt，改变开关轨迹、减少开关损耗，使之工作在安全工作区内。缓冲电路在开通时，电感中储存磁能，关断时，电容储存电能，这些能量以热的
25、形式消耗在缓冲电路的电阻上。在晶闸管的使用上，通常选用无极性缓冲电路。在晶闸管回路中串入电感，抑制开通时的di/dt ，在晶闸管两端并联RC网络以抑制关断时的瞬时过电压，并且防止因du/dt过大而引起的误触发。在GTO、BJT、IGBT等自关断器件时，由于工作频率比SCR高得多，采用有极性缓冲电路，以加快电容或电感的抑制作用。,电压、电流关断波形,无极性,有极性,复合型,1、关断缓冲电路,RCD关断缓冲电路,原理：二极管VDS的单向导电性，T关断时，CS立即起作用，CS两端电压不能突变，使集-射极两端的电压上升率被限制，电容越大， du/dt越小，即 du/dt=Im/ CS Im为最大负载电
26、流；在有缓冲电容的情况下，IGBT关断时，集电极被电容电压牵制，不会出现集电极电压和电流同时达到最大值的情况。,电容CS上的电场能量，在IGBT下一次开通时，通过电阻RS释放，缓冲电路减小了IGBT的关断损耗，但IGBT和电阻上的总损耗不一定减小。 电阻为电容上的过电压形成泻放回路，可抑制线路电感和电容振荡。,关断缓冲电容选择,电阻RS的值的选择应考虑两个问题：器件最小导通时间应大于电容的放电时间常数；电容的最大放电电流is=UCC/RS与工作电流之和不能超过器件额定电流值。 开关器件关断时电容CS上吸收电能，开通时损耗在电阻上，电阻的功率损耗为： PR=1/2*（ CS UCC2fs） 设计
27、时按总损耗为最小的原则取值，再根据试验情况调整参数。,关断缓冲电阻选择,关断缓冲二极管选择,2、开通缓冲电路,工作原理：IGBT开通时，在集电极电压下降期间，电感Li抑制di/dt 的上升率，当IGBT关断时，储存在电感Li中的能量1/2LiIm2通过二极管VDi续流，其能量消耗在Ri中。采用开通缓冲电路后，电流ic的上升时间增加。电感越大，上升速度越慢，电流上升率di/dt 越小。,总损耗最小时对应的电感量为： Li=（2UCCtfv）/（9Im） 器件开通的损耗为： Pon=（ImUcctfvfs）/6,复合缓冲电路,不加缓冲电路时，IGBT的集电极电压和电流同时出现最大值，均产生超调现象
28、，瞬时功耗很大，产生局部热点，导致器件损坏。加上缓冲电路后，开通和关断轨迹改善，没有电压和电流同时达到最大值现象，为IGBT提供了安全的工作环境，最大限度减小了IGBT的开关损耗。,耗能式缓冲电路能够减小开关器件的开关损耗，因为把开关损耗从器件本身转移至缓冲器内，然后消耗在电阻上，即开关器件的损耗减小了，安全运行得到了保证，但总的开关损耗不一定减少。,3、保护技术 1）保护的类型 过电流保护、输出过压保护、输入瞬态电压抑制、输入欠压保护、过温保护、器件控制极保护 2）保护的方法 主动和被动 被动主要方法封锁脉冲 保护一般应具有反延时特性，如过温、过流 3）保护的设计 根据需要合理地选择类型和方
29、法，不必要的保护会增加装置的故障率。,过流保护 1、防止过电流的措施 为防止桥臂中两个开关器件直通，常对两个开关器件的驱动信号互锁并设置死区。 （1）互锁即桥臂中一开关器件有驱动信号时，不允许另一开关器件有驱动信号； （2）死区指桥臂中两开关器件不允许开通的时间。 死区时间一般取器件关断时间的1.5-2倍； 2、过电流保护方法 （1）利用参数状态识别对单个器件进行自适应保护； 如一般开关器件的饱和压降随电流增加而增加，当饱和压降超过限定值时，该器件的驱动电路自动封锁脉冲； （2）利用设置死区和互锁的办法对桥臂中两个器件进行保护 （3）利用常规的办法进行过电流保护 晶闸管，用快速熔断器保护；对高
30、频开关器件，采用电流检测，过流时限制电流，必要时封锁驱动脉冲。,过电流保护措施及配置位置,电流信号的检测 电流检测信号用于反馈控制及保护环节。要求取样可靠、准确。电流检测元件分类： 1）慢速型电流检测元件 电流互感器：利用电磁感应原理制作，因为普通铁心的磁滞现象，所以是慢速型电流检测元件。 电流互感器采样电阻取值不能太大，否则绕组电压过高，导致铁心磁通饱和。互感器二次绕组不能开路。 电流互感器较经济、但工作频率范围有限。 2）快速型电流检测元件 霍耳传感器：霍耳元件是霍耳传感器的核心。 霍耳元件是有一定厚度的半导体基片。 霍耳电流传感器模块：利用磁场平衡式原理工作。,霍耳电流传感器特点：能迅速
31、反映变化，跟随时间在1us以内，能检测交、直流和脉冲电流，与被测电流绝缘，响应速度快。霍尔电流检测器件较贵、但通频带较宽。3）无感电阻检测（快速型检测） 串入主电路产生附加的压降及功耗，检测电路与主电路无电的隔离，用于功率不高的小功率系统中。对于直流电流，过流检测装置可使用电阻分流器或霍尔电流检测器件。用分流器检测电流时，主电路和保护电路将共地，霍尔器件可以完全隔离。对于交流电流，过流检测装置可使用电流互感器或霍尔电流检测器件。,输出过压保护 输出过压检测设置在输出端，输出是交流电压时可用电压互感器（变压器）检测；输出是直流电压用电阻分压取样。输入瞬态电压抑制 交流线路间放置金属氧化物压敏电阻
32、MOV 这种器件是可变电阻，瞬态电压出现时，阻值下降到最低值，将输入电压限制在安全范围内，让瞬态能量消耗在电阻体内。输入欠压保护 输入电压过低，开关器件的工作电流将过大，可能超过其最大电流值而损坏。如果蓄电池过低压供电，放电电流必然过大，可能造成蓄电池永久损坏。须设置欠压保护电路。,过电压抑制措施及配置位置 F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器 RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路 RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路,过温保护采取封锁驱动信
33、号措施。 可用不同温度等级的常开或常闭温度开关。器件控制极保护电力电子装置中所用的开关器件以电压型开关器件占主导地位，它们的控制特性好，驱动功率小，但控制极比电流型开关器件容易损坏，应注意控制极的保护。,驱动电阻RG的大小根据器件功率等级确定，通过实验在典型值附近调整（5-22欧），但RG过小造成驱动电路过载；稳压管为驱动电压双向限幅，选18V的电压值，反串后具有18V的双向限幅特性，可防止驱动电压超过20V；R是5千欧左右的电阻，为栅极静电提供放电回路，并且可防止驱动引线电感和极间电容的振荡。以上元件尽量靠近开关器件栅极布置，以减小引线电感的影响。,散热技术 1、散热的重要性 PN结是电力电
34、子器件的核心，由于PN结的性能与温度密切相关，因此每种电力电子器件都规定最高允许结温，器件在运行时不应超过最高允许结温和功耗的最大允许值，否则器件的许多特性和参数都有较大变化，甚至使器件永久损坏。如果不采取散热措施，一只100A的二极管长期流过50A的恒定直流也可能损坏。 2、散热原理 电力电子器件在运行时有损耗，这部分损耗转变成热量使管芯发热、结温升高。管芯发热后，要通过周围环境散热。 散热途径有热传导、热辐射和热对流三种方式。对电力电子器件，散热途径主要采用热传导和热对流两种方式。 热传导可以用稳态热路图与热阻的概念理解。管芯内温度最高的部位在PN结上，热量从PN结通过管壳、散热器传至环境
35、介质中。 热路图与电路图相似，功耗P、温升 T和总热阻Rja 之间的关系和欧姆定律相似，即 T= RjaP T=Tj-Ta, Tj和Ta代表结温和环境温度。 Rja 为PN结至环境介质的热阻。,耗散功率P流过器件时，器件的稳态温升 T与热阻Rja成正比，即热阻越大，温升越大，散热效果越差。器件散热时的总热阻由PN结至外壳的热阻（内热阻，由器件的结构、工艺和材料决定）、外壳至散热器的接触热阻(外热阻）及散热器至环境的热阻Rsa（外热阻）组成。在流过器件的平均电流保持恒定时，器件和散热器可达到热稳定状态。 自然冷却时，散热器的热阻按经验公式计算： Rsa=295A-0.7P-0.15 A为散热器有
36、效面积，P为流入散热器的功率，即散热器上功率开关器件的损耗。 在作散热器设计时，先计算散热器的热阻Rsa，再求散热器的有效表面积，根据有效的表面积和散热器手册选配散热器。,稳态热路图与热阻,热路欧姆定律：,设计案例 工作在感性负载下的小功率GTR，工作电流IC=10A，工作电压UCES=100V，开关频率f=10KHZ，占空比D=0.9，通态电压UCES=1V，开通时间ton=1us，关断时间toff=2us，结温不超过25C,结-壳热阻Rjc=0.7C/W,计算当环境温度Ta=35C，结温不超过125C时,GTR直接与散热器装配时散热器的热阻。 解（1）计算器件总功率损耗 由通态损耗、开关损
37、耗两部分组成 通态损耗：PC=UCESICD=1*10*0.9=9W 开关损耗：PS=PS(on)+PS(off)=1/2*UCE*IC*(ton+toff)*fs=1/2*100*10*(1+2)*10-6*104=15W 总功率损耗：P=PC+PS=24W （2）计算散热器热阻 管壳到散热器的接触热阻较小，可忽略。Rcs =0,根据,算得散热器的表面积，再选择相应的散热器产品。,散热器,散热措施： 为限制结温，从减少器件的损耗和采取散热措施入手。 减少器件的损耗可采用软开关电路、增加缓冲电路等措施。 散热措施： （1）采用提高接触面的光洁度，接触面上涂导热硅脂，增加合适的安装压力等方法减小
38、器件接触热阻。 （2）选用有效散热面积大的铝型材的散热器，必要时，采用导热性能好的紫铜材料制作散热器，以减少散热热阻； （3）结构设计时，注意机箱风道的形成，可采用在装置内部安装风机等热对流方式来降低装置内部环境介质温度，必要时还可以运用水、油或其它液体介质管道帮助冷却。,课程特征 1、讲解非线性电子装置的课程，非线性是其中的电路的有源电力器件是用时间比率变化的开关信号控制的。 2、是一门工程应用课程，涉及电子产品的设计、研发等工程技术问题。 3、是一门综合性技术课程，涉及以前所学的多门（电子）电类课程。教材 1、林周布编写的电力电子装置讲义 2、邢岩等编著的高频功率开关变换技术，机工版 3、
39、王兆安等编著的电力电子技术，机工版,本章学习要点 1、了解电力电子装置的分类、应用概况及发展前景。 2、熟悉常用电力电子器件的基本电性能和应用特点。 3、掌握电力电子器件的基本应用技术、器件应用特点。散热必要性和措施缓冲电路意义及参数计算保护类型和基本方法自锁式保护电路的原理,第二章 PWM直流电源装置,2.1 概述电源装置根据输出电力的直流或交流特性区分为直流电源或交流电源。直流电源的输入电力若是交流，则常称为AC/DC整流器；而输入电力若是直流常称为DC/DC直流变换器或DC/DC直流斩波器（此类一般特指输入输出之间不隔离的DC/DC）。,整流器按整流器件不同分两类：一类为不控型整流器，即
40、由二极管构成。另一类为可控型整流器。后者又分为晶闸管半控型整流电路与晶体管全控型整流电路（高频PWM整流器）。经整流器输出的电压波形含有较高的AC波纹分量，故整流器输出必须接交流滤波电路。,滤波器电路分大电感性滤波电路、大电容性滤波电路与二阶LC电感电容滤波电路。在模拟电子电路中有阻容滤波电路，但因其功耗大，不能采用。晶闸管整流电路采用相控方式，不能采用电容性滤波电路。（为什么？）由交流电源供电的电子装置，以前大量采用由工频变压器隔离降压加串联稳压电路构成的线性直流电源作为工作电源；由于高频PWM控制方式的开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。但是，由于线性电源具有很低的输
41、出噪声与波纹电压特性，在一些仪器与测量电源中仍然得到应用。,对于AC/DC开关电源来说，采用二极管整流容性滤波电路，将调压控制部分移到高频变换器上，称此AC/DC开关电源为脱线式（off-line）开关电源，结构特点为AC/DC + DC/DC。开关电源指的是DC/DC变换器采用高频开关变换器技术，脱线式指的是DC/DC变换器的直流电力要间接从AC/DC整流电路获得。目前采用工频交流市电供电的电子仪器、设备，主流采用脱线式（off-line）开关电源。对于高频电力电子电路，由于追求小体积、轻重量、低成本，故一般采用大电容性滤波的整流电路，这样就会产生启动冲击电流问题，因此在电路中要用启动限流电
42、路。,由于大电容性滤波整流电路产生高脉冲峰值电流，谐波电流很大，注入电网会造成电力污染，而且也降低了电源的输入功率因数PF（一般仅为0.60.7）。为满足国际标准，必须降低输入谐波电流，这样就要加入功率因数校正电路。一般，小功率PFC电路用无源技术，较大功率PFC电路宜用有源技术。无源技术除了体积大、笨重外，还有谐振特性对频率敏感的缺陷；因此，一般要在无源滤波器中加入电阻以降低其Q值（使谐振电压或电流的波形不尖锐），并展宽其滤波特性的带宽。无源技术的最突出优点是成本较低、可靠性较高。有源功率因数校正（APFC）可以使输入电流波形正弦化，使输入电流和交流输入电压同相位，功率因数近似为1.问题：二
43、极管整流容性滤波电路的三大缺陷？要采取何措施？,各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电；一些信息电子装置由于采用蓄电池供电，装置内的电路还需要其它电压规格的电源，就要使用直流/直流变换器来解决这个问题。,在DC/ DC 变换器中, Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk 等单管非隔离型斩波器，一般应用于较小功率场合；Forward 和Flyback 单管隔离型变换器适用于较小输出功率的AC/DC开关电源。而在中大功率场合, 一般采用全桥变换器或双管交错双重Forward 变换器。 个人计算机采用单个开关电源，输出多路为计算机各单元部分供电，此为集中式直流供电。在高可靠性电
44、子系统，一般采用分布式直流供电系统。分布式直流供电系统将直流电源系统分为两部分，前级部分整流器称为一次电源，后级DC/DC变换器部分称为二次电源，在DC BUS 上挂上蓄电池组，保证DC BUS 不间断供电，分布式供电系统任何一个二次电源出故障，都不会影响系统的工作，系统的可靠性很高。为了提高可靠性，二次电,源作成只有输入、输出端子的模块电源，一次电源作成能并联运行的整流器模块。这些技术借助开关电源技术实现。直接安装在板（卡）上。,2.2 DC/DC PWM变换器的基本电路,基本的非隔离型DC/DC变换器； 基本的隔离型DC/DC变换器； 有CCM（连续导电模式）和DCM（不连续导电模式） 用
45、于高频变换器的（吸收）缓冲电路。,斩波电路三种控制方式 T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。 ton不变，变T 频率调制(PFM)。 ton和T都可调，改变占空比混合型。降压斩波电路,工作原理,t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。 t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 工作模式：CCM、DCM、CRM,数量关系 电流连续负载电压平均值：,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比 负载电流平均值,电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。,从
46、能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量，为 在整个周期T中，负载消耗的能量为 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。,输出功率等于输入功率，降压斩波器可看作直流降压变压器。,V、VD的耐压： Uvmax=UVDmax=E，,开关器件V的最大、平均电流,VD的最大、平均电流,电感电流纹波,电感电流纹波的典型值为满载时直流分量的10%至20%（不希望太大，否则增大流过电感和半导体开关器件的电流峰值，增加功率损耗和体积）,变换器输出电压纹波 电容电压纹波与ic(t)波形为正时充的总电荷相关。设计好的变换器，电容需滤掉主要
47、的开关纹波，所以几乎所有的电感电流纹波流过电容，流经负载阻抗R的纹波非常少。 uC的总变化量为,电容C的选取,CCM与DCM模式的界限为,CCM DCM,也可根据LB来判别CCM或DCM,升压斩波电路升压斩波电路（Boost Chopper）,升压斩波电路的基本原理 电路结构,工作原理,假设L和C值很大。 V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。 V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。,数量关系,设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为 设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 稳态时，一个周期T中L积蓄能
48、量与释放能量相等,T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用；电容C可将输出电压保持住。,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 ：,输出电流的平均值Io为,与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器,电源电流的平均值I1为,V、VD的耐压 uVmax=uVDmax=UO,V、VD的电流峰值和平均值,根据此式选择L,根据此式选择C,CCM与DCM模式的界限为,CCMDCM,也可根据LB来判别CCM或DCM,升压斩波电路典型应用 一是用于直流电动机传动 二是用作单相功率因数校正（PFC）电路 三是用于其他交直流电
49、源中用于直流电动机传动 再生制动时把电能回馈给直流电源。 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。 直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器,t,t,T,E,i,O,O,b),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时,升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路(buck -boost Chopper) 电路结构,基本工作原理 V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。 V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。,升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,数量关系,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即,
