电力电子技术 第一章——电力电子变换器

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一、电力电子变换器简要介绍

1、电力电子系统框图

        下图所示的是一个具有电力电子象征性的系统框图，系统负责处理能量从输入（Power input）到输出（Power output）的变化，控制信号（Control signal，由嵌入式系统发出）可以控制系统中的晶体管等可控元件，使能量呈现为被编辑的状态，然后通过电容、电感的滤波功能，实现能量从输入到输出的变化

2、电力电子系统分类

（1）直流→直流转换：实现改变或控制电压大小的功能。

（2）交流→直流整流：实现交流到直流的转换。

（3）直流→交流逆变：可产生可控幅度和频率的正弦波。

（4）交流→交流循环转换：实现改变或控制电压大小和频率的功能。

3、系统控制框图

（1）下图所示的是具有概括性的系统控制框图。

（2）红色部分为电力电子变换器（本门课程的研究重点），由功率元件、磁性元件、容性元件组成，通过开关的控制行为可以实现输入到输出的编辑，从控制的角度来看，红色的部分就是被控对象。

（3）蓝色部分为控制器，它可以对输入和输出进行采样，作为前馈和反馈信号输入，经过控制算法后的输出控制信号可以控制电力电子变换器，以实现需求。设计控制算法时需要分析被控对象的传递函数。

4、电力电子变换器的指标

（1）效率和损耗的定义：

（2）功率器件主要具有三部分损耗——导通损耗、开关损耗和驱动损耗。

①导通损耗：当有电流流经主通路时，会产生热损耗，也即导通损耗，这部分损耗可表征为电流的平方乘以电阻，即。

②开关损耗：这是开关元件具有的损耗，当一个器件从开到关或从关到开，器件上同时存在电压和电流的变化，电流与电压的乘积对时间做积分，结果就是开关损耗。

③驱动损耗：这是功率器件（或者说主控器件）所特有的，系统往往需要通过外部的信号控制开关管的开与关，这个过程是需要额外的能量的，这部分能量就是驱动损耗。

（3）磁性元件主要有两部分损耗——绕组损耗和磁芯损耗。

①绕组损耗：磁性元件的本质是磁性材料外围附着一层导体，这些导体一样具有电阻类型的寄生参数，当有能量流经时，会产生热损耗，也即绕组损耗。

②磁芯损耗：当有能量流经导体时，磁芯中会产生磁通量，磁通量流过磁芯，会产生对应的磁滞损耗，也即磁芯损耗。

（4）电容元件主要具有导通损耗，因为电容一样具有寄生电阻，所以其导通损耗和功率器件的导通损耗本质是一样的。

（5）一个高效率的系统，相应地一定有转换器内部低功率损耗，当前转换器的技术目标是构建小型化和轻量化的转换器，以高效率处理大量功率。

5、电力电子变换器使用的几类器件

（1）电阻元件：

（2）电容元件：

（3）电感元件：

（4）晶体管：

        不同晶体管的工作区间可能不同可，分为线性工作区间和开关工作区间：

        ①工作在线性工作区间时，晶体管往往用于对信号进行放大，不适合用于设计主功率部分（放大状态下射极和集电极压差大，从而引起损耗大，但并非不能用于设计主功率部分）

        ②工作在开关工作区间时，晶体管可作为一个“电子开关”使用，控制端给高/低电平，晶体管呈现导通或截止的状态，此类晶体管往往体积较大，不适合用来处理能量

6、理想开关中的功率损耗

二、电力电子变换器设计示例

1、需求描述

        当前有一个100V的直流电压源和一个5Ω的电阻，需求为设计电力电子转换器，使得5Ω电阻两端的电压为50V，不难得出流经电阻的电流则为10A

2、非最佳方案的设计

        为了实现需求，可以直接用一个可变电阻和电阻R串联，通过调节可变电阻的阻值，即可实现电阻R两端的电压为50V，但分析转换器的损耗，可以发现可变电阻上有整整500W的功率损耗，和输出功率相当，这显然不是最佳方案

        假设一个三极管，其射极电流是基级的1000倍（即电流增益为1000），要想电阻R流经10A的电流，可以将电阻R与其射极连接，其集电极与电压源连接，基级注入10mA的电流

        不过实际中不会做到如此精准的开环控制，所以可加设反馈环节，采集射极的输出，用以反馈调节基级的电流，这就是LDO的原理，但分析转换器的损耗，可以发现三极管有50V的压降，且有10A的电流通过，这显然已经远远超出理想开关的范畴，这显然也不是最佳方案

3、减少损耗的思路

        以上两种方案都是在变换器中产生了极大的损耗，对此需要考虑，消耗在变换器中的能量能否以另一种方式利用起来，首先做如下比喻，下图所示的是一个模拟水阀和一个数字水阀，模拟水阀可控制阀门的开关程度，是连续的，而数字水阀只能控制阀门全开或全关

        需求为1天需要从水道中获取全开阀门12个小时的水量，但需要水道24小时的出水量是一样的，对于模拟水阀，可选择开0.5的阀门持续24小时，对于数字水阀，可选择开1的阀门持续12个小时，关0的阀门持续12个小时，同时在出水口前准备一个蓄水池，当阀门关闭时，蓄水池能持续为出水口供水

        如果缩短数字阀门的开关频率，比如开1的阀门持续1个小时，关0的阀门持续1个小时，以此循环12次，那么蓄水池需要的容量就可以小很多，也不会有水在水道中流失，现在把水道中的水看作是能量，数字阀门看作是开关元件，设计思路便清晰了

4、损耗最小的Buck电路方案

三、电力电子应用

1、生活中的应用举例

（1）排插的主要作用是电能的分流，插口处仍为220V的交流电，这部分不涉及电能形式的转换，但部分排插会提供USB接口，USB接口则提供一个低压的直流电，这部分是涉及电能形式的转换的。

（2）充电宝的内部电池只有一个电压，而被充电器的充电电压可能与充电宝电池的电压不一致，这就需要电力电子转换器实现电压的转换。

（3）适配器的功能是将220V的交流电转换成一个低压的直流电，这也需要电力电子转换器实现电压的转换。

2、高端科技中的应用举例

（1）CPU主板上有非常多的能量供给单元，各模块所需的供电电压可能不同，这就需要电力电子转换器实现电压的转换。

（2）物联网中有非常多的通信设备、传感设备、信息处理设备等，这些设备需要非常多的能量，而且各设备所需的供电电压可能不同，这就需要电力电子转换器实现电压的转换。

3、终端的应用举例

（1）电机驱动：

（2）计算机电源系统：

4、电力系统中的应用

        下图所示的是电力系统示意图，从左到右主要分为发电（升压）、传输、配电（降压）和消费四个部分，其中发电、配电和消费三个部分往往和电力电子技术密切相关