電力電子電路

與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式變流電路相比，靜止式變流電路具有無(wú)磨損、低噪聲、高效率、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和生產(chǎn)、無(wú)須專門的地基建設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，因而在國(guó)際范圍已基本上取代了前者。

與低頻變流電路相比，半導(dǎo)體變流電路有工作頻帶寬、系統(tǒng)響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)小型輕量化并且工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，故技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能明顯優(yōu)于前者。各國(guó)均已不再生產(chǎn)由氣體閘流管等離子器件組成的變流電路及其裝置。

與高頻電子管電路相比，半導(dǎo)體變流電路的顯著優(yōu)點(diǎn)是損耗小，變換效率高，但由于前者的容量等級(jí)和工作頻帶尚高于已經(jīng)實(shí)用化的半導(dǎo)體器件，因而至20世紀(jì)80年代，半導(dǎo)體變流電路只能在小容量范圍取代前者?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著高頻大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和實(shí)用化（如大功率靜電感應(yīng)晶閘管，簡(jiǎn)稱SITH），半導(dǎo)體高頻變流電路終將取代高頻電子管變流電路。

電力電子電路有多種分類方法。

按實(shí)現(xiàn)電能變換時(shí)電路功能分類，可分為4種。

①整流電路（AC/DC變換電路）：具有整流功能的電路。凡將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的過(guò)程泛稱為整流。

整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。

②逆變電路（DC/AC變換電路）：具有逆變功能的電路。凡將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的過(guò)程稱為逆變。

逆變電路是與整流電路（Rectifier）相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載鏈接時(shí)，稱為無(wú)源逆變。

逆變電路的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。

③交流變換電路(AC/AC變換電路）：能將交流電能的大小和頻率加以改變的電路。前者稱交流調(diào)壓電路；后者稱變頻電路。

④直流變換電路（DC/DC變換電路）：能將直流電能的大小和方向加以改變的電路。由于采用斬波控制方式，故又稱直流斬波電路。

按電能轉(zhuǎn)換次數(shù)分類，可分為兩種。

①基本變換電路：由一次轉(zhuǎn)換過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)所需電能變換的電路。例如通過(guò)一個(gè)可控整流電路即可直接實(shí)現(xiàn)由交流電能到直流電能的變換和控制，故又稱直接變換電路。

②組合變換電路：出于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的原因，采用多次轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)所需電能的變換的電路。例如通過(guò)交流調(diào)壓和不控整流兩次轉(zhuǎn)換也可以實(shí)現(xiàn)由交流到直流電能的變換和控制。這種不同組合方式的多次變換電路又稱為間接變換電路。

按組成電路的器件分類，可分為3種。

①不控型變換電路：由不控型器件組成的電路。如由電力二極管組成的整流電路僅實(shí)現(xiàn)交流到直流間電能的變換，但電路對(duì)直流電能無(wú)控制能力。

②半控型變換電路：由半控型器件（如普通晶閘管）組成的電路。由于這類器件無(wú)自關(guān)斷能力，故電路只在具備關(guān)斷晶閘管的條件時(shí)才能正常工作。

③全控型變換電路：由全控型元件（自關(guān)斷器件）組成的電路。由于器件具有自關(guān)斷能力，全控型電路易于實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制。它比半控型電路具有更佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但多數(shù)全控型器件的開關(guān)容量尚低于半控型，故大容量變換電路尚需由半控型元件組裝。

按控制方式分類，可分為4種。

①相控電路：控制信號(hào)的變化表現(xiàn)為控制極脈沖相位的變化。傳統(tǒng)的整流電路即采用這種控制方式。

②頻控電路：指信號(hào)的變化表現(xiàn)為控制極脈沖重復(fù)頻率的變化。傳統(tǒng)的無(wú)源逆變電路即采用這種控制方式。

③斬控電路：控制信號(hào)的變化表現(xiàn)為控制極脈寬的變化。傳統(tǒng)的直流斬波電路即采用這種方式。

④組合控制電路：電路采用上述3種基本控制方式組合而成的控制方式。如用于直接變頻電路的相頻控制方式就是相控和頻控方式的組合。

按開關(guān)器件的工作頻率分類，可分為兩種。

①低頻電路：開關(guān)元件按電網(wǎng)頻率（50赫或60赫）工作的電路，如傳統(tǒng)的相控整流電路和有源逆變電路等。

②高頻電路：開關(guān)元件以遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率的載波頻率工作的電路，如采用脈沖寬度調(diào)制控制方式的電路。

由電力電子器件組成的、用以對(duì)工業(yè)電能進(jìn)行變換和控制的大功率電子電路。由于電路中無(wú)旋轉(zhuǎn)元、部件，故又稱靜止式變流電路，以區(qū)別于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式變流電路（由電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的變流電路）。兩者相比，電力電子電路無(wú)磨損、低噪聲、高效率，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和生產(chǎn)，不需建造專門的地基。因而，20世紀(jì)60年代以后，已在世界范圍基本上取代了旋轉(zhuǎn)式變流電路。

由于電力電子電路所處理的是大容量工業(yè)電能，高效低耗是這類電路的主要目標(biāo)。為減少電路內(nèi)耗，電力電子器件工作于開關(guān)狀態(tài)，因此電力電子電路實(shí)質(zhì)上是一種大功率開關(guān)電路。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的控制，器件的開關(guān)狀態(tài)必須是可控的，因此它又是一種器件工作狀態(tài)可由微弱信號(hào)進(jìn)行控制的大功率開關(guān)電路。

電力電子電路按實(shí)現(xiàn)電能變換時(shí)電路的功能可分為整流電路（將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能）、逆變電路（將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能）、交流變換電路（包括交流調(diào)壓電路和變頻電路）、直流變換電路（改變直流電能的大小和方向）。按電能轉(zhuǎn)換次數(shù)可分為基本變換電路和組合變換電路。前者經(jīng)一次轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)所需電能的變換，又稱直接變換電路；后者經(jīng)多次轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)所需電能的變換，又稱間接變換電路。按組成電路的器件可分為不控型變換電路（由不控型器件組成，電路對(duì)變換的電能無(wú)控制能力）、半控型變換電路（由半控型器件組成，只能在電路具備關(guān)斷晶閘管的條件下才能正常工作）、全控型變換電路（由自關(guān)斷器件組成，比半控型電路具更佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但開關(guān)容量低于半控型）。電力電子電路按控制方式可分為4種：①相控電路?？刂菩盘?hào)的變化表現(xiàn)為控制極脈沖相位的變化。②頻控電路。信號(hào)的變化表現(xiàn)為控制極脈沖重復(fù)頻率的變化。③斬控電路?？刂菩盘?hào)的變化表現(xiàn)為控制極脈寬的變化。④組合控制電路。采用上述3種控制方式組合而成的控制方式。按電路中開關(guān)器件的工作頻率可分為開關(guān)元件按電網(wǎng)頻率（50或60赫）工作的低頻電路和開關(guān)元件以遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率的載波頻率工作的高頻電路。

電力電子電路經(jīng)歷了20世紀(jì)30年代由氣體閘流管和汞弧整流管組成的低頻變流電路和由高頻電子管組成的變流電路（統(tǒng)稱第一代電力電子電路），60年代由晶閘管組成的半導(dǎo)體變流電路（第二代電力電子電路），80年代由可關(guān)斷晶閘管（GTO）和雙極型功率晶體管（GTR）等新型器件組成的第三代電力電子電路。由于它們具有控制極關(guān)斷和工作頻帶較寬的優(yōu)點(diǎn)，使電力電子電路具有更佳的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，獲得了更為廣泛的應(yīng)用。電力電子電路正沿4個(gè)方向發(fā)展：①采用新型器件。②采用新的控制方式和手段。③采用新的電路結(jié)構(gòu)。④采用新的分析方法和調(diào)試手段。

電子技術(shù)發(fā)展異常迅速。微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步不僅對(duì)信息電子技術(shù)以巨大影響，同時(shí)也日益對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生作用。就電路而言，正沿著以下4個(gè)方向發(fā)展。

新型器件

新器件的出現(xiàn)和使用往往對(duì)整個(gè)變流技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響。例如，正是由于氣體閘流管、晶閘管和功率晶體管的相繼問(wèn)世，才促成了幾代電力電子電路的更迭。另外寬禁帶半導(dǎo)體器件的研發(fā)被視為進(jìn)一步提高性能的手段。美國(guó)也成立了新一代寬禁帶研究中心對(duì)此進(jìn)行研究。

新的控制方式

新的控制方法會(huì)使電路達(dá)到更高的性能。例如交流電機(jī)采用矢量控制方法，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能可與直流傳動(dòng)相媲美。而這種控制方法之所以能付之實(shí)用卻是依借微型計(jì)算機(jī)的普及。這表明，采用新的控制手段會(huì)使昔日無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制方式成為可能。

新的電路結(jié)構(gòu)

變流電路的趨勢(shì)是向理想變換電路靠近。以往各種傳統(tǒng)電路由于各種原因的影響，其性能與理想狀態(tài)存在種種差距。依借最佳電路拓?fù)?，采用更合理的電路結(jié)構(gòu)，可以使變流器的性能臻于理想化，如丘克電路（見(jiàn)單象限直流變換電路）。

新的分析方法和調(diào)試

由于包含非線性開關(guān)元件，電力電子電路實(shí)質(zhì)上是一種時(shí)變非線性電路，因而分析時(shí)相當(dāng)繁復(fù)。以往為了適應(yīng)工程的要求，不得不作出種種簡(jiǎn)化，其結(jié)果是降低了分析的精確性。大容量變流電路由于元件繁多、規(guī)模龐大，調(diào)試工作帶有很高的不安全性和不確定性。隨著計(jì)算機(jī)輔助分析 (CAN）、輔助設(shè)計(jì)（CAD）和輔助調(diào)試（CAT）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字和物理仿真技術(shù)的進(jìn)步，使電力電子電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試工作已日趨完善。2100433B

第1章 電力電子電路中的基本元器件

電阻

電阻在電路中用“R”加數(shù)字表示,如:R1表示編號(hào)為1的電阻.電阻在電路中的主要作用為:分流、限流、分壓、偏置等.

電容

電容在電路中一般用“C”加數(shù)字表示(如C13表示編號(hào)為13的電容).電容是由兩片金屬膜緊靠,中間用絕緣材料隔開而組成的元件.電容的特性主要是隔直流通交流.

電容容量的大小就是表示能貯存電能的大小,電容對(duì)交流信號(hào)的阻礙作用稱為容抗,它與交流信號(hào)的頻率和電容量有關(guān).

晶體二極管

晶體二極管在電路中常用“D”加數(shù)字表示,如: D5表示編號(hào)為5的二極管.

作用:二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?也就是在正向電壓的作用下,導(dǎo)通電阻很小;而在反向電壓作用下導(dǎo)通電阻極大或無(wú)窮大.正

因?yàn)槎O管具有上述特性,無(wú)繩電話機(jī)中常把它用在整流、隔離、穩(wěn)壓、極性保護(hù)、編碼控制、調(diào)頻調(diào)制和靜噪等電路中.電話機(jī)里使用的晶

體二極管按作用可分為:整流二極管(如1N4004)、隔離二極管(如1N4148)、肖特基二極管(如BAT85)、發(fā)光二極管、穩(wěn)壓二極管等.

電感器

電感器在電子制作中雖然使用得不是很多，但它們?cè)陔娐分型瑯又匾?。我們認(rèn)為電感器和電容器一樣，也是一種儲(chǔ)能元件，它能把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能，并在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量。電感器用符號(hào)L

表示，它的基本單位是亨利（H），常用毫亨（mH）為單位。它經(jīng)常和電容器一起工作，構(gòu)成LC濾波器、LC振蕩器等。另外，人們還利用電感的特性，制造了阻流圈、變壓器、繼電器等。

第2章 硬開關(guān)直流變換器設(shè)計(jì)

第3章 軟開關(guān)直流變換器設(shè)計(jì)

4章 直流變換器控制電路設(shè)計(jì)

第5章 開關(guān)電源中的其他功能電路設(shè)計(jì)

第6章 直流開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第7章 逆變器主電路結(jié)構(gòu)及原理分析

第8章 逆變器控制電路設(shè)計(jì)

第9章 逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第10章 諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償

參考文獻(xiàn)2100433B

電子元器件包括：電阻、電容器、電位器、電子管、散熱器、機(jī)電元件、連接器、半導(dǎo)體分立器件、電聲器件、激光器件、電子顯示器件、光電器件、傳感器、電源、開關(guān)、微特電機(jī)、電子變壓器、繼電器、印制電路板、集成電路、各類電路、壓電、晶體、石英、陶瓷磁性材料、印刷電路用基材基板、電子功能工藝專用材料、電子膠（帶）制品、電子化學(xué)材料及部品等。