【文章內(nèi)容簡介】 力電子器件被稱為半控型器件。通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為全空型器件。不能用信號控制來控制其通斷的電力電子器件被稱為不可控器件。本書重點(diǎn)介紹了整流電路，就是將交流變?yōu)橹绷鳌Ｓ袉蜗嗫煽卣?、三相可控整流和大功率可控整流電路，用整流橋整流后還要進(jìn)行電容濾波等等。還有直流斬波電路、交流電力控制電路、交交變頻電路、逆變電路、PWM 控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)和組合交流電路的介紹。? 設(shè)計內(nèi)容的主要知識點(diǎn)1. 逆變電路的基本工作原理圖 02 逆變電路及其波形舉例以圖 02a 的單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理。圖中 S1～S4是橋式電路的 4 個臂，當(dāng)開關(guān) SS4 閉合，SS3 斷開時，負(fù)載電壓 U0 為正；當(dāng)開關(guān) SS4 斷開，SS3 閉合時，負(fù)載電壓 U0 為負(fù)，其波形圖如圖 02b 所示。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。這就是逆變電路最基本的工作原理。2. 換流換流的定義：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程稱為換流，換流也常被稱為換相。換流方式：1) 器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流。2) 電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。3) 負(fù)載換流3由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流。4) 強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。3. 單相電壓型逆變電路1) 半橋逆變電路a b圖 03 單相半橋電壓型逆變電路及其波形半橋逆變電路原理圖如圖 03a 所示，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個互相串聯(lián)的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)就是直流電源的中點(diǎn)。設(shè)開關(guān)器件 V1 和 V2 的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時，其工作波形如圖 03b 所示。輸出電壓 U0 為矩形波，其幅值為 Um=Ud/2。輸出電流 i0 波形隨負(fù)載的情況而異。設(shè) t2 時刻以前V1 為通態(tài)，V2 為斷態(tài)。t 2 時刻給 V1 關(guān)斷信號，給 V2 開通信號，則 V1 關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流 i0 不能立即改變方向，于是 VD2 導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng) t3 時刻 i0 降為零時，VD2 截止，V2 開通，i 0 開始反向。同樣， t4 時刻給 V2 關(guān)斷信號，給V1 開通信號，則 V2 關(guān)斷，VD1 先導(dǎo)通續(xù)流，t 5 時刻 V1 才開通。半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值，且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。2) 全橋逆變電路4a b圖 04 單相全橋電壓型逆變電路及其波形電壓型全橋逆變電路的原理圖如圖 04a 所示，它共有 4 個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組和而成。把橋臂 1 和 4 作為一對，橋臂 2 和 3 作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通 180176。其輸出電壓 U0 的波形和圖03b 的半橋電路的波形 U0 形狀一樣，但電壓幅值高出一倍，U m=Ud。在直流電壓和負(fù)載都一樣的情況下，輸出電流 i0 的波形和圖 03b 的半橋電路的 i0 波形形狀一樣，僅幅值增加一倍。5第 1 章 方案設(shè)計我這次所選的課題是單相橋式逆變電路的設(shè)計。設(shè)計的內(nèi)容是已知直流輸入電壓 100V，負(fù)載自擬，要求交流輸出電壓頻率范圍在 30～60H Z，電壓30～50V 范圍可調(diào)，其它性能指標(biāo)自定。根據(jù)課題和內(nèi)容，以及上述的介紹選擇全橋電壓型逆變電路，負(fù)載采用阻感負(fù)載，利用移相調(diào)壓來調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。由于這里給出的是輸入為100V 的直流電壓，但在我們的日常生活中用電都是 220V、50HZ 的交流電，所以還需要接入一個整流穩(wěn)壓的電路。要實(shí)現(xiàn)電壓 30～50V 范圍可調(diào)，則要利用移相調(diào)壓。要得到交流輸出電壓頻率范圍在 30～60H Z，還需要用到 PWM 控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)的開關(guān)速度控制得到符合輸出頻率要求的電壓信號。主電路控制電路驅(qū)動電路保護(hù)電路圖 11 系統(tǒng)原理框圖整個網(wǎng)絡(luò)由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。逆變電路整流電路輸入 輸出圖 12 主電路原理框圖由于我們的日常生活中用電都是 220V、50HZ 的交流電，在此加了一個整流6電路，具體參數(shù)在此并不作說明。在下面的設(shè)計中將省略這一步。圖 13 主電路原理圖圖中 1 橢圓虛線里面的為整流電路，穩(wěn)壓為 100V。圖中 2 矩形虛線框里面的則是電壓型逆變電路，起到將直流變交流的作用。7第 2 章 主電路設(shè)計?主電路原理圖主電路采用電壓型逆變電路其原理圖如下圖 21：圖 21 主電路原理圖?主電路原理分析電壓型全橋逆變電路如圖 21 所示，它共有 4 個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組和而成。把橋臂 1 和 4 作為一對，橋臂 2 和 3 作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通 180176。其輸出電壓 U0 的波形和圖 03b 的半橋電路的波形 U0 形狀一樣，但電壓幅值高出一倍，U m=Ud。在直流電壓和負(fù)載都一樣的情況下，輸出電流 i0 的波形和圖 03b 的半橋電路的 i0 波形形狀一樣，僅幅值增加一倍。把幅值為的矩形波展開成傅里葉級數(shù)得：(1)??0=4??????(sin????+13sin3????+15sin5????+?)其中基波的幅值 和基波的有效值 分別為:??0 ??01(2)??0=4??????=????(3)??01=22?????? =????8?器件的選擇 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulatedgate Bipolar Transistor）,英文簡寫為 IGBT。它是一種典型的全控器件。它綜合了 GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性?，F(xiàn)已成為中、大功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。IGBT 是三端器件，具有柵極 G、集電極 C 和發(fā)射極 E。它可以看成是一個晶體管的基極通過電阻與MOSFET 相連接所構(gòu)成的一種器件。其等效電路和電氣符號如下：(a) (b) 圖 22 IGBT 等效電路和電氣圖形符號它的開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓 UGE所決定的。當(dāng) UGE為正且大于開啟電壓 UGE時，MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而是 IGBT導(dǎo)通。由于前面提到的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻 RN減小，這樣高耐壓的 IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)山脊與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，晶體管的積極電流被切斷，使得 IGBT 關(guān)斷。 電力二極管電力二極管（Power Diode）自 20 世紀(jì) 50 年代初期就獲得應(yīng)用，當(dāng)時也被稱為半導(dǎo)體整流器（Semiconductor Rectifier—SR）,其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，仍然大量應(yīng)用于許多電設(shè)備中。電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管是一樣的，都是以半導(dǎo)體 PN 結(jié)為基礎(chǔ)的。由 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體結(jié)合構(gòu)成 PN 結(jié)。其結(jié)構(gòu)和電氣符號如下：9圖 23 a)結(jié)構(gòu)和 b)電氣符號當(dāng) PN 結(jié)外加正向電壓，即外加電壓的正端接 P 區(qū)、負(fù)端接 N 區(qū)時，外加電場與 PN 結(jié)自建電場方向相反，在外帶電路上形成自 P 區(qū)流入從 N 區(qū)流出的電流，這就是 PN 結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。當(dāng) PN 結(jié)外加反向電壓時，外加電場與 PN 結(jié)自建電場方向相同，在外帶電路上形成自 N 區(qū)流入從 P 區(qū)流出的電流，稱之為反向電流。因此反向偏置的 PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流通過，這就是反向截止?fàn)顟B(tài)。?元件參數(shù)電感電抗：（4）??=????=2??????干路電流有效值：（5）??0= ??01(????+??)已知：交流輸出電壓頻率范圍在 30～60HZ，電壓 Ud=100V。又因晶閘管和 IGBT 的導(dǎo)通電流不宜過大，導(dǎo)通電流一般約為 10mA。代入公式（5）得：Ω(????+??)=??01??0=??????0 ==9000選擇最高頻率 60HZ,代入公式（4）得： ??=2??????=120????使整個電路負(fù)載呈感性則有：XR。電阻選擇 3000Ω。因此 X=6000Ω。將 X=6000Ω 代入公式（4）得：??=120???? =120??6000≈??所以選擇電阻 R=3000Ω,電感 L=。10第 3 章 驅(qū)動電路的設(shè)計?驅(qū)動電路原理圖設(shè)計圖 31 驅(qū)動電路原理圖?驅(qū)動電路的種類驅(qū)動電路有電流型驅(qū)動電路和電壓型驅(qū)動電路。?驅(qū)動電路的作用驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用良好的驅(qū)動電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動電路的基本任務(wù)就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和