电力电子学基础

第一章 概论

电力电子学的三个层次：器件、拓扑、控制

电力电子装置的四个部分：控制电路、检测电路、驱动保护电路、主电路

相关概念：
总畸变率THD： T H D = ∑ n = 2 k A k 2 A 1 THD=\frac{\sqrt{\sum_{n=2}^{k}A_k^2}}{A_1} THD=A1​∑n=2k​Ak2​ ​​
功率： S = U I S=UI S=UI
正弦电路：
P = U I cos ⁡ φ      Q = U I sin ⁡ φ P=UI\cos\varphi\ \ \ \ Q=UI\sin\varphi P=UIcosφ    Q=UIsinφ
λ = P S \lambda=\frac{P}{S} λ=SP​
非正弦电路：
P = U I 1 cos ⁡ φ 1 P=UI_1\cos\varphi_1 P=UI1​cosφ1​
λ = P S = U I 1 cos ⁡ φ 1 U I = I 1 I cos ⁡ φ 1 = ν cos ⁡ φ 1 \lambda=\frac{P}{S}=\frac{UI_1\cos\varphi_1}{UI}=\frac{I_1}{I}\cos\varphi_1=\nu\cos\varphi_1 λ=SP​=UIUI1​cosφ1​​=II1​​cosφ1​=νcosφ1​
理想电感和理想电容：

第二章 电力电子器件

电力电子器件分类

按照可控程度分类：不可控器件、半可控器件（晶闸管）、全控型器件
按照驱动信号类型分类：电流驱动型器件（三极管）、电压驱动型器件（MOSFET）
按照导电的载流子类型分类：单极型器件、双极型器件、复合型器件

功率二极管

原理上与普通二极管没有区别，都是由一个PN结构成。

功率二极管的基本特性：开通过程中会有尖峰电压（但时间尺度很小，us级别），产生原因是功率二极管的寄生电感。同样的，关断过程因为寄生电感电流会有一个反向的电流，同时会产生一个反向的尖峰负电压，反向恢复时间也约是us级别。
所以功率二极管不能工作在高频开关的情况，当高频开关（如100kHz）功率二极管始终工作在开通过程和关断过程，会一直有正反向电流，此时功率二极管相当于是导体。

晶闸管

半控型器件，只能控制开通，不能控制关断
晶闸管结构：PNPN结构，又名可控硅
晶闸管工作原理：等效于一个PNP三极管联接上一个NPN三极管
晶闸管工作特性：
在这里插入图片描述

  • 导通条件：阳极对阴极施加反向电压不会导通，不论门极是否有触发电流；正向电压仅在门极有触发电流是才导通
  • 关断条件:当电流降低到阈值之下时会自动关断；或者加反向电压

其他可能的导通情况：

  • 阳极电压过高造成雪崩效应
  • 样机电压上升率过高
  • 结温较高
  • 光触发（光控晶闸管）

晶闸管的静态特性：
正向特性：

  • I G = 0 I_{G}=0 IG​=0时，施加正向电压只有很小的正向漏电流，此时为正向阻断状态
  • 正向电压超过正向转折电压后晶闸管正向导通，漏电流急剧增大
  • 导通时的压降很小可忽略不计，在1V左右

反向特性：

  • 反向特性类似于普通二极管，只有极小的反相漏电流
  • 当反向电压达到反向击穿电压后会导致晶闸管发热损坏

晶闸管的动态特性（仅了解）：

门级关断晶闸管（GTO）

晶闸管的一种派生器件, 在门极加入反向电压实现关断，关断电流增益较小
在这里插入图片描述

电力晶体管/功率晶体管（GTR）

结构与普通三极管一致，PNP、NPN结构。GTR的放大倍数 β \beta β较小，约为10。所以可以连接成达林顿结构使放大倍数相乘，

GTR的静态特性与普通三极管一致：
GTR的动态特性：开通过程和关断过程都有开通时间和关断时间

GTR二次击穿现象：当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿，击穿之后立刻源极（控制信号）降压GTR还能正常使用；当一次击穿发生时，电流急剧上升电压突降导致二次击穿，会导致器件永久损坏。

功率场效应晶体管（MOSFET）

优点：电压驱动，开关频率高，无二次击穿问题，安全工作区宽
缺点：电流小，耐压低

功率MOSFET的特性：
功率MOSFET的栅源、栅漏之间有寄生电容，称为米勒电容。在MOSFET的导通和关断过程中，栅极驱动电压作用在米勒电容一侧给电容充电，在导通时栅极电压会有一段时间保持不变，称为米勒平台。米勒平台，也即给电容充放电的时间是导致MOSFET开通关断有时延的主要原因

绝缘栅双极性晶体管（IGBT）

GTR+MOSFET=IGBT
MOS管驱动GTR功率三极管，使得器件能工作在大电压大电流

电力电子器件应用

密勒电容：

半桥驱动电路——自举

密勒钳位电路

IGBT漏源电压突变时，会给密勒电容充电，就会有反向电流产生，会在栅极驱动电阻上产生压降，这个压降会导致IGBT导通，因此需要抑制这个电压的产生，所以需要引入钳位电路——一个PNP三极管加在栅极驱动电阻两端，（有反向电流泄流的作用）

半桥缓冲和吸收电路

电力电子元件散热

热流功率： P P_{} P​

电力电子器件基本控制方法

移相控制方法

在这里插入图片描述

α \alpha α为移相控制角 , θ \theta θ为导通角，通过控制移相控制角来控制导通角大小

u = 2 U sin ⁡ ω t u=\sqrt{2}U \sin\omega t u=2 ​Usinωt
U d = 1 2 π ∫ α π 2 U sin ⁡ ( ω t ) = 2 U 2 π ( 1 + cos ⁡ α ) U_{d}=\frac{1}{2 \pi}\int^{\pi}_{\alpha}\sqrt{2}U \sin(\omega t)=\frac{\sqrt{2}U}{2 \pi}(1+\cos \alpha) Ud​=2π1​∫απ​2 ​Usin(ωt)=2π2 ​U​(1+cosα)

脉宽调制（PWM）控制方法

面积等效原理
原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

  • 冲量即指窄脉冲的面积。
  • 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
  • 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

单极型PWM控制、双极性PWM控制

第三章 DC-DC电路

直流斩波电路

降压斩波电路（BUCK）

在这里插入图片描述

E − u 0 = L d i d t E-u_{0}=L\frac{di}{dt} E−u0​=Ldtdi​
E E E:电压源、输入电压
u 0   o r   U 0 u_{0} \ or\ U_{0} u0​ or U0​：输出电压
T s T_{s} Ts​：为PWM控制信号周期T
D D D：PWM信号占空比
伏秒平衡：稳态工作时， i L i_{L} iL​在一个周期的初始值和终值相等，施加在电感两端电压的平均值为0
u L ( t ) = L d i L ( t ) d t u_{L}(t)=L\frac{di_{L}(t)}{dt} uL​(t)=LdtdiL​(t)​
i L ( T s ) − i L ( 0 ) = 1 L ∫ 0 T s u L ( t ) d t = 0 i_{L}(T_{s})-i_{L}(0)=\frac{1}{L}\int^{T_{s}}_{0}u_{L}(t)dt=0 iL​(Ts​)−iL​(0)=L1​∫0Ts​​uL​(t)dt=0

t=0~t1(mosfet导通):
Δ i L 1 = 1 2 ( E − U 0 ) D T s L \Delta i_{L1}=\frac{1}{2} \frac{(E-U_{0})DT_{s}}{L} ΔiL1​=21​L(E−U0​)DTs​​

t=t1~t2(mosfet关断):
Δ i L 2 = 1 2 − U 0 ( 1 − D ) T s L \Delta i_{L2}=\frac{1}{2} \frac{-U_{0}(1-D)T_{s}}{L} ΔiL2​=21​L−U0​(1−D)Ts​​

Δ i L 1 = Δ i L 2 \Delta i_{L1}=\Delta i_{L2} ΔiL1​=ΔiL2​
( E − U 0 ) D T s = U 0 ( 1 − D ) T s (E-U_{0})DT_{s}=U_{0}(1-D)T_{s} (E−U0​)DTs​=U0​(1−D)Ts​

升压斩波电路

在这里插入图片描述
与BUCK电路同理,

t=0~t1(mosfet导通):
Δ i L 1 = 1 2 E D T s L \Delta i_{L1}=\frac{1}{2} \frac{EDT_{s}}{L} ΔiL1​=21​LEDTs​​

t=t1~t2(mosfet关断):
Δ i L 2 = 1 2 − ( U 0 − E ) ( 1 − D ) T s L \Delta i_{L2}=\frac{1}{2} \frac{-(U_{0}-E)(1-D)T_{s}}{L} ΔiL2​=21​L−(U0​−E)(1−D)Ts​​

Δ i L 1 = Δ i L 2 \Delta i_{L1}=\Delta i_{L2} ΔiL1​=ΔiL2​
E D T s = ( U 0 − E ) ( 1 − D ) T s EDT_{s}=(U_{0}-E)(1-D)T_{s} EDTs​=(U0​−E)(1−D)Ts​

升降压斩波电路

在这里插入图片描述

VT导通时：电感充电，电容放电
VT关断时：电感给电容充电
电容电压是反向的，输出的极性相反

t=0~t1(mosfet导通):
Δ i L 1 = 1 2 E D T s L \Delta i_{L1}=\frac{1}{2} \frac{EDT_{s}}{L} ΔiL1​=21​LEDTs​​

t=t1~t2(mosfet关断):
Δ i L 2 = 1 2 U 0 ( 1 − D ) T s L \Delta i_{L2}=\frac{1}{2} \frac{U_{0}(1-D)T_{s}}{L} ΔiL2​=21​LU0​(1−D)Ts​​

Δ i L 1 = Δ i L 2 \Delta i_{L1}=\Delta i_{L2} ΔiL1​=ΔiL2​

U O = E D 1 − D U_{O}=\frac{ED}{1-D} UO​=1−DED​

单相斩控式功率因数校正电路

含交流斩波电路的APFC

在这里插入图片描述
反馈控制：
可以电压换+电流环双闭环控制
也可以电压环单环控制
在这里插入图片描述

PWM整流电路

倍压整流电路

倍流整流电路

在这里插入图片描述

第四章 AC-DC电路

包括了各种方式的整流电路

单相整流电路

单相半波可控整流电路

  • 电阻负载

在这里插入图片描述
输出电压

单相全桥整流电路

  • 电阻负载
    在这里插入图片描述

输出电压为电阻负载的单相半波可控电路输出电压的两倍：
U d = 0.9 U 2 1 + cos ⁡ α 2 , I d = U d R U_d=0.9U_2\frac{1+\cos \alpha}{2}, I_d=\frac{U_d}{R} Ud​=0.9U2​21+cosα​,Id​=RUd​​

  • 电感负载
    在这里插入图片描述

U d = 0.9 U 2 cos ⁡ α , I d = U d R , I 2 = I d U_d=0.9U_2\cos \alpha, I_d=\frac{U_d}{R}, I_2=I_d Ud​=0.9U2​cosα,Id​=RUd​​,I2​=Id​

三相半波可控整流电路

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

三相桥式全控整流电路

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

正激变换电路

双管正激变换电路

在这里插入图片描述
不对称电桥+变压器+整流

磁通复位：变压器的励磁电感在导通时会储存磁能，一个开关周期内需要将磁通量复位（归零），否则励磁电感的磁通量会一直上升，变压器铁芯会磁饱和，此时变压器失效，励磁电感相当于短路。

第五章 DC-AC电路

包括各种逆变电路

单相电压型逆变电路

半桥逆变电路/不对称半桥斩波电路

电机工作在1、4象限
在这里插入图片描述

半桥斩波电路

升降压双向斩波电路
电机工作在1、2象限
在这里插入图片描述

当负载电流较小时，系统工作在升降压互补状态

双极性PWM控制全桥电路

负载电路必须是惯性器件，如阻感负载
在这里插入图片描述
在一个周期内先是1、4导通，再是2、3导通，阻感两端的电压有正有负
当占空比50%时，输出电压为0

非正弦电路的有功功率：
P = U I 1 cos ⁡ φ 1 P=UI_1 \cos \varphi_1 P=UI1​cosφ1​其中电流为基波电流
功率因数：
λ = P S = U I 1 cos ⁡ φ 1 U I = I 1 I cos ⁡ φ 1 = ν cos ⁡ φ 1 \lambda=\frac{P}{S}=\frac{UI_1 \cos \varphi_1}{UI}=\frac{I_1}{I}\cos \varphi_1=\nu \cos \varphi_1 λ=SP​=UIUI1​cosφ1​​=II1​​cosφ1​=νcosφ1​
基波因数： ν = I 1 I \nu=\frac{I_1}{I} ν=II1​​

全桥逆变电路/全桥斩波电路

在这里插入图片描述

可使电机工作在4个象限。

第六章 AC-AC电路

交流调压电路

单相交流调压电路

  1. 电阻负载
    相角范围：0~ π \pi π
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  2. 阻感负载
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

斩控式交流调压电路

在这里插入图片描述

  • 当u1正半周时,V1斩波控制，V3常开作为电流回路
  • 当u1负半周时，V2斩波控制，V4常开作为电流回路

三相交流调压电路

三相调压电路星形联结

在这里插入图片描述

VT1~VT6触发脉冲分别相差60 ° \degree °
调相范围： α \alpha α = 0~150 ° \degree °

  • 当 α \alpha α = 0~60 ° \degree °
    在这里插入图片描述
  • 当 α \alpha α = 60 ° \degree °~90 ° \degree °
    在这里插入图片描述
  • 当 α \alpha α = 90 ° \degree °~150 ° \degree °
    在这里插入图片描述
三相调压谐波特性

由于三相电路的三相对称性质，电路中没有三倍次谐波，谐波次数为6k±1，同时正负半轴对称没有二次谐波，所以只有5、7、11、13等次谐波，5次谐波分量最大。

支路控制三角联结电路

在这里插入图片描述
谐波情况与三相交流调压电路相同

在相同负载和 α \alpha α时，三角形联结方式的谐波要少于星型联结方式

交流调功电路

与交流调压电路的电路结构相同，不同点在于通过控制将负载与电源断开几个周期，调整周波比来控制整个电路的功率情况。

单相交流调功电路

在这里插入图片描述

交流电力电子开关

将晶闸管反并联后串联进电路中，代替电路中的机械开关

交流-交流 变频电路

把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路

单相交交变频器

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

单相交交变频器的整流、逆变工作状态

哪一组工作由电流方向决定，整流、逆变状态由功率的正负判断。
在这里插入图片描述

参考文献

北京理工大学 冬雷老师的PPT（我真是纯受害者啊（哭）、
一些在百度上找到的图
AND
【电力电子期末速成课|电力电子技术期末速成课|鸿霖学堂】 https://www.bilibili.com/video/BV1eA411z7ET/?p=19&share_source=copy_web&vd_source=5aa4e4e4e27c471f0b51890ae315b4d2

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