第八章电力电子技术应用
学习目标
1．会分析本章实例中电力电子装置的电路原理。
2．学会电力电子技术电路识图方法。
3. 了解电力电子装置在各个领域中的应用。
随着电力电子技术的发展，电力电子装置正朝着智能化、模块化、小型化、高效化和高可靠性方向发展，应用领域不断扩大。本章介绍目前应用比较广泛的几种电力电子装置实例。
第一节晶闸管直流调速系统实例
直流电动机调速广泛应用于机床设备和交通运输车辆等场合。过去采用在直流电动机电路中串接电阻的方法来达到调速的目的，但能量消耗大，且不能实现无级调速。采用晶闸管调速系统，通过改变电动机的电枢电压，就能实现无级调速，且能节约电能。图8-1所示为晶闸管直流调速系统的电路图与框图。
图8-1 晶闸管直流调速系统电路原理和框图
a) 电路原理图 b) 框图
1．主电路
电路中的主电路是由晶闸管VT1、VT2和二极管VD1、VD2组成的单相半控桥式整流电路，输入交流220V电压，改变加在VT l、VT2门极上的触发脉冲的触发延迟角，就可以调节半控桥式整流电路的输出到电动机电枢两端的电压，电路输出的直流电压越大，电动机转的越快，从而实现了对电机转速的控制。
2．触发电路
晶闸管的触发延迟角α是由触发电路控制的。在图8-1中，晶闸管的触发电路采用具有放大环节的单结晶体管触发电路。在这个电路里，是通过C6的充放电，使单结晶体管导通
和截止，从而在脉冲变压器的二次侧产生尖脉冲，为晶闸管VT1、VT2提供触发信号。改变C6的充电时间，就可以改变单结晶体管导通时间，即改变晶闸管的触发延迟角α，使半控桥整流电路输出电压得到调节。
3．控制电路
在图2-30中，加在放大管VT3基极的控制电压U K为
U K = U1 —U2
式中U1是整定电压，U2为反馈电压。
U1由稳压管VS2上的电压经电容C4滤波后，再经电位器RP1分压取得，它可根据拖动系统所需要的转速进行整定。U2为从主电路中的电位器RP2分压取得，它反映了电枢两端电压变化情况，因此间接反映了电动机转速的变化。
当控制电压U K增大时，触发电路输出的脉冲提前，晶闸管的导通角增大，主电路输出的直流电压升高。这样，由于加在电动机电枢的电压增加，电动机的转速将升高。反之，当控制电压U K减小时，主电路输出电压降低。这时，加在电枢上的电压降低，电动机的转速便下降。
4．调整转速的工作原理
(1)直流电动机的平滑起动电位器RP1与交流电源开关SP1是联动的。当SP1合闸时，电位器RP1的动触点处于零位置，整定电压U1 =0。然后，转动电位器RP1的动触点，使电压U1从零开始上升，控制电压U K也随之增大。于是，主电路的输出电压即加在电枢上的电压逐渐升高，电动机平滑起动，最后达到相应的转速，进入正常运转状态。
(2)直流电动机的无级调速在电动机运行过程中，人为地调节电位器RP1的可动触点，可使整定电压U1发生连续变化。因此，加在电枢上的电压变化也是连续的，电动机便可在一定范围内获得任意大小的给定转速，从而实现无级调速。
(3)直流电动机转速的稳定在电动机的工作过程中，当负载加大引起转速下降时，电枢电流也相应增大。这时，由于可控整流电路内部的压降增加，致使电枢两端电压降低。因此，经过电位器RP2取得的反馈电压U2也相应减小，控制电压U K则相应增大，使触发脉冲提前，可控整流电路输出电压增大，补偿了电动机电枢电压的降低，而使电动机转速下降甚微。负载在一定范围之内变化时，通过电路的自动调节，电动机能够基本保持恒定的转速运转。
第二节开关稳压电源
一、开关稳压电源的工作原理和特点
1. 开关稳压电源的基本工作原理
开关稳压电源简称开关电源(Switching Power Supply)，这种电源中，实现稳压控制功能的器件以开关方式工作。图8-2所示为输入输出隔离的开关电源原理框图。
图8-2 开关电源的基本框图
开关稳压电源的主电路工作原理为：工频交流电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器
滤波，滤除交流电源的高次谐波，经整流电路变换为直流后再滤波，滤除整流后的低频脉动谐波，获得直流电压；然后再将此直流电压经变换电路变换为高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。
开关稳压电源控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路获得其输出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，使输出电压升高(或降低)，以获得稳定的输出电压。
2. 开关稳压电源的控制原理
开关电源中，变换电路起着主要的调节稳压作用，这是通过调节功率开关管的占空比来实现的。在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种，即脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PWF)。在脉冲宽度控制中，保持开关周期T不变，通过改变t on来改变占空比，从而达到改变输出电压的目的，如图8-3所示。
图8-3 PWM控制方式
频率控制方式中，保持导通时间t on不变，通过改变频率(即开关周期T)而达到改变占空比的一种控制方式。由于频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的设计比较困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。
3.开关稳压电源的特点
开关稳压电源具有如下的优点：
(1)功耗小、效率高。开关器件交替工作在通断状态，转换速度快，这使得功率损耗小，电源的效率可达90%～95%。
(2)体积小、重量轻。开关电源效率高，损耗小，可以省去较大体积的散热器；用起隔离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积也可大为减小。
(3)稳压范围宽。开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过占空比的大小来补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。 (4)电路形式灵活多样。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。
开关电源的缺点主要是存在开关噪声干扰。
在开关电源中，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，对这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机正常工作。此外，这些干扰还会串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到干扰。因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。
二、隔离式高频变换电路
在开关稳压电源的主电路中，调频变换电路是核心部分，其电路形式多种多样，下面介绍输入输出隔离的开关电源常用的几种高频变换电路的结构和工作原理。
1.正激式变换电路(Forward)
所谓正激式变换电路，是指开关电源中的变换器不仅起着调节输出电压使其稳定的作用，还作为振荡器产生恒定周期T的方波，后续电路中的脉冲变压器也具有振荡器的作用。
该电路的结构如图8-4所示。工频交流电源通过电源滤波器、整流滤波器后转换成该图
中所示的直流电压U i ；V 1为功率开关管，多为绝缘栅双极型晶体管IGBT(其基极的驱动电路图中未画出)；TR 为高频变压器；L 和C 1组成LC 滤波器；二极管VD 1为半波整流元件，VD 2为续流二极管；R L 为负载电阻；U o 为输出稳定的直流电压。
图8-4 正激变换电路
当控制电路使V 1导通时，变压器原、副边均有电压输出且电压方向与图示参考方向一致，所以二极管VD 1导通，VD 2截止，此时电源经变压器耦合向负载传输能量，负载上获得电压，滤波电感L 储能。
当控制电路使V 1截止时，变压器原、副边输出电压为零。此时，变压器原边在V 1导通
时储存的能量经过线圈N 3和二极管VD 3反送回电源。变压器的副边由于输出电压为零，所以二极管VD 1截止，电感L 通过二极管VD 2续流并向负载释放能量，由于电容C 1的滤波作用，此时负载上所获得的电压保持不变，其输出电压为 i i 1
2o U k U N N U αα== 式中 k 为变压器的变压比，α 为方波的占空比，N 1、N 2为变压器原、副边绕组的匝数。由 上式可看出，输出电压U o 仅由电源电压U i 和占空比α 决定。
这种电路适合的功率范围为数瓦至数千瓦。
2．半桥变换电路
半桥变换电路又可称为半桥逆变电路，如图8-5a 所示。工频交流电源通过电源滤波器、整流滤波器后转换成图中所示的直流电压U i ；V 1、V 2为功率开关管IGBT ；TR 为高频变压器，L 、C 3组成LC 滤波电路，二极管VD 3、VD 4组成全波整流元件。
a) b)
图8-5 半桥变换电路及波形
a)电路 b)波形
半桥变换电路的工作原理：两个输入电容C 1、C 2的容量相同，其中A 点的电压U A 是输入电压U i 的一半，即有U C1＝U C2＝U i ／2。开关管V 1和V 2的驱动信号分别为u g1和u g2， 由
控制电路产生两个互为反相的PWM信号，如图8-5b所示。当u g1为高电平时，u g2为低电平，V1导通，V2关断。电容C1两端的电压施加在高频变压器的原边，此时u V1＝U i／2，在V1和V2共同关断期间，原边绕组上的电压为零，即u V1＝0。当u g2为高电平期间，V2导通，V1关断，电容C2两端的电压施加在高频变压器的原边，此时u V1＝－U i／2。其波形如图8-4b所示。可以看出，在一个开关周期T内，变压器上的电压分别为正、负、零值，这一点与正激变换电路不同。为了防止开关管V1、V2同时导通造成电源短路，驱动信号u g1和u g2之间必须具有一定的死区时间，即二者同时为零的时间。
当u V1＝U i／2时，变压器副边所接二极管VD3导通，VD4截止，整流输出电压的方向与图示U o方向相同；当u V1＝－U i／2时，二极管VD4导通，VD3截止，整流输出电压的方向也与图示U o方向相同；在二极管VD3、VD4导通期间，电感L开始储能。在开关管V1、V2同时截止期间，虽然变压器副边电压为零，但此时电感上释放能量，又由于电容C3的作用使输出电压恒定不变。
半桥变换电路的特点为，在一个开关周期T内，前半个周期流过高频变压器的电流与后半个周期流过的电流大小相等，方向相反，因此，变压器的磁芯工作在磁滞回线B -H的两端，磁芯得到充分利用。在一个开关管导通时，处于截止状态的另一个开关管所承受的电压与输入电压相等，开关管由导通转为关断的瞬间，漏感引起的尖峰电压被二极管VD1或VD2箝位，因此开关管所承受的电压绝对不会超过输入电压，二极管VD1、VD2还作为续流二极管具有续流作用，施加在高频变压器上的电压只是输入电压的一半。欲得到与下面将介绍的全桥变换电路相同的输出功率，开关管必须流过两倍的电流，因此半桥式电路是通过降压扩流来实现大功率输出的。另外，驱动信号u g1和u g2需要彼此隔离的PWM信号。
半桥变换电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源。
3．全桥变换电路
将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成另外两只开关管，并配上相应的驱动电路即可组成图8-6所示的全桥电路。
图8-6 全桥变换电路
驱动信号u g1和u g4相同，u g2和u g3相同，而且u g1、u g4与u g2、u g3互为反相。其工作原理如下：
当u g1和u g4为高电平，u g2和u g3为低电平时，开关管V1和V4导通，V2和V3关断，电源电压通过V1和V4施加在高频变压器的原边，此时变压器原边电压为u V1＝U i。当u g1和u g4为低电平，u g2和u g3为高电平时，开关管V2、V3导通，V1、V4关断，变压器原边电压为u V1＝－U i。与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。
图8-6中变压器副边所接二极管VD5、VD6为整流二极管，实现全波整流。电感L、电容C组成LC滤波电路，实现对整流输出电压的滤波。
开关管V1、V2、V3和V4的集电极与发射极之间反接有箝位二极管VD1、VD2、VD3和VD4，由于这些箝位二极管的作用，当开关管从导通到截止时，变压器初级磁化电流的能量以及漏
感储能引起的尖峰电压的最高值不会超过电源电压U i，同时还可将磁化电流的能量反馈给电源，从而提高整机的效率。全桥变换电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源。
除了上述变换电路外，常用的隔离型高频电路还有反激型变换电路、推挽型变换电路和双正激型变换电路。
三、开关电源的应用
图8-7给出了由开关电源构成的电力系统用直流操作电源的电路原理图，图8-7a为主电路，图8-7b为控制电路。主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。下面简单介绍各功能模块的具体电路。
图8-7 直流操作电源电路
a) 主电路 b) 控制电路
1．交流进线EMI滤波器
电磁干扰EMI为英文Electro Magnetic Interference的缩写。为了防止开关电源产生的噪声进入电网或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作，必须在开关电源的输入端施加EMI滤波器，有时又称此滤波器为电源滤波器，用于滤除电源输入输出中的高频噪声(150kHz～30MHz)。图8-8给出了一种常用的高性能EMI滤波器，该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。
图8-8 交流进线EMI滤波器
该图中A、N间为电源的相电压，G为电源的接地线。C C1、C C2和L C构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号。所谓共模干扰信号，通常是指与电源电压并联且极性相同的干扰信号。由于电源干扰信号的频率远大于工频50Hz，因此它们通过电容C C1、C C2接入地消除干扰。
其中L C为磁芯电感，它与普通电感相比具有体积小、电感值大的特点，在此电路中称为共模电感，其两组线圈的匝数相等，绕向相反。共模干扰信号的极性相同，在L C产生很大的阻抗，从而抑制了共模信号进入后续整流电路。对于极性相反，串接在电源内的差模干扰信号，L C产生的阻抗为零，则由C d1、L d组成的低通滤波器来抑制干扰信号。
2．启动浪涌电流抑制电路
开启电源时，由于将对滤波电容C1和C2充电，接通电源瞬间电容相当于短路，因而会产生很大的浪涌电流，其大小取决于启动时的交流电压的相位和输入滤波器的阻抗。抑制启动浪涌电流最简单的办法是在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。启动时电阻处于冷态，呈现较大的电阻，从而可抑制启动电流。启动后，电阻温度升高，阻值降低，以保证电源具有较高的效率。虽然启动后电阻已较小，但电阻在电源工作的过程中仍具有一定的损耗，降低了电源的效率，因此，该方法只适合小功率电源。
对于大功率电路，将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管，电源启动时晶闸管关断，由电阻限制启动浪涌电流。滤波电容的充电过程完成后，触发晶闸管，使之导通，从而既达到了短接电阻降低损耗的目的，又可限制启动浪涌电流。
3．输出控制电路
控制电路是开关电源的核心，它决定开关电源的动态稳定性。该开关电源采用双闭环控制方式，如图8-9所示。电压环为外环控制，起着稳定输出电压的作用。电流环为内环控制，起稳定输出电流的作用。交流电源经过电源滤波、整流再次滤波后得到电压的给定信号U OG，输出电压经过取样电路获得一反馈电压U OF。U OF通过反馈电路送到给定端与给定信号U OG比较，其误差信号经PI调节器调节后形成输出电流的给定信号I OG。将I OG与电感电流的反馈信号I OF比较，其误差信号经PI调节器(比例积分调节器)调节后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部三角波比较形成PWM信号，该信号再通过驱动电路去驱动变换电路中的IGBT。
图8-9 直流开关电源控制系统原理框图
如果输出电压因种种原因在给定电压没有改变的情况下有所降低，即反馈电压U OF小于给定电压U OG，则电压调节器将误差放大后使输出电压升高，即电感电流的给定I OG增大。电感电流给定增大又导致电流调节器的输出电压增大，使得PWM信号的占空比增大，最后达到增大输出电压的目的。当输出电压达到给定电压所要求的值时，调节器停止调节，输出电压稳定在所要求的值。
4．SG3525的管脚功能
SG3525系列开关电源PWM控制集成电路是美国硅通用公司设计的第二代PWM控制器，工作性能好，外部元件用量小，适用于各种开关电源。图8-10给出了SG3525的内部结构，
其管脚功能如下：
①脚：误差放大器的反相输入端；
②脚：误差放大器的同相输入端；
③脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率f S要低一些；
④脚：振荡器输出；
⑤脚：振荡器外接定时电阻R T端，R T值为2～150kΩ；
⑥脚：振荡器外接电容C T端，振荡器频率f S＝1／C T(0.7R T+3R0)，R0为⑤脚与⑦脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.001～0.1μF；
图8-10 SG3525内部结构框图
⑦脚：振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500Ω；
⑧脚：软启动端，外接软启动电容，该电容由内部U ref的50μA恒流源充电；
⑨脚：误差放大器的输出端；
⑩脚：PWM信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障保护；
⑾脚：A路驱动信号输出；
⑿脚：接地；
⒀脚：输出集电极电压；
⒁脚：B路驱动信号输出；
⒂脚：电源，其范围为8～35 V；
⒃脚：内部+5 V基准电压输出。
5.IGBT驱动电路
驱动电路采用日本三菱公司生产的驱动模块M57962L。该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400A 的IGBT。驱动电路的接线图如图8-11所示。
图8-11 IGBT驱动电路
图8-11中，输入端U in的PWM信号与输出端U g的PWM信号彼此隔离。当U in为高电平时，输出U g也为高电平，此时IGBT导通；当U in为低电平时，输出U g为 -10 V，IGBT截止。该驱动模块通过实时检测IGBT集电极电位来判断IGBT是否发生过流故障。当IGBT导通时，如果驱动模块的①脚电位高于其内部基准值，则其⑧脚输出为低电平，通过光耦合，发出过流信号，使输出信号U g变为–10V，关断IGBT。
第三节软开关技术
电力电子装置中，滤波电感、电容和变压器的体积和重量往往占有较大的比例。提高开关频率可以有效的减小滤波电感、电容和变压器的体积和重量，因此，电路的高频化就成为必然趋势。但随着频率的提高，开关损耗也随之增加，电路效率会严重下降，同时电磁干扰也会增大。针对这些问题采取的解决办法就是软开关技术。
一、硬开关和软开关
开关在控制电路的开通和关断过程中，会引起电压和电流的剧烈变化，并产生较大的开关损耗和开关噪声，这样的开关叫硬开关。
硬开关电路存在的主要问题是开关损耗和开关噪声较大。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的工作。
软开关电路在电路中增加了小电感、电容等谐振器件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善，从而降低开关损耗和开关噪声。因此，软开关有时也称为谐振开关。
图8-12为软硬开关电路及波形的对比。
图8-12 软硬开关路及波形对比
a) 零电压开关准谐振电路及工作波形b) 硬开关电路及工作波形
零电压开关准谐振电路是一种较典型的软开关电路，与硬开关电路相比，软开关电路中增加了谐振电感L r和谐振电容C r，与滤波电感L、滤波电容C相比，L r和C r的值小得多。另一个差别是在开关Q处增加了反并联二极管VD Q。软开关电路中Q关断后，L r和C r间发生谐振，电路中电压与电流波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程的电压、电流变化，而且使Q两端的电压在其开通前就降为零，使得开关损耗和开关噪声都大为降低。
二、软开关电路
软开关技术问世以来，出现了许多种软开关电路，直到目前为止，新型的软开关电路还在不断出现。根据电路中主要的开关元件是零电压开通或是零电流关断，可将软开关电路分为零电压电路和零电流电路两大类。若根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路三类。
由于每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，因此可以用图8-13中的基本开关单元来表示，不必画出各种具体电路。实际使用时，可以从基本开关单元导出具
体电路，开关和二极管的方向应根据电流的方向做相应调整。
图8-13 软开关电路的基本开关单元
a) 基本开关单元b) 降压斩波器中的基本开关单元
c) 升压斩波器中的基本开关单元d) 升降压斩波器中的基本开关单元
下面对上述三类软开关电路加以简述。
1. 准谐振电路
准谐振电路可以分为：
1）零电压开关准谐振电路。
2）零电流开关准谐振电路。
3）零电压开关多谐振电路。
4）用于逆变器的谐振直流环节电路。
准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降，但也带来一些负面问题：谐振电压峰值高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而变化，因此电路只能采用脉冲频率调制方式控制。图8-14所示为准谐振电路的基本开关单元。图8-15所示为用于逆变器的谐振直流环节电路原理图。
图8-14 准谐振电路的基本开关单元
a) 零电压开关准谐振电路的基本开关单元b) 零电流开关准谐振电路的基本开关单元
c) 零电压开关多谐振电路的基本开关单元
图8-15 谐振直流环节电路原理图
2. 零开关PWM电路
这类电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。零开关PWM电路可分为：
1）零电压开关PWM电路；
2）零电流开关PWM电路。
这两种电路的基本开关单元如图8-16所示。
图8-16 零电压开关和零电流开关PWM电路基本开关单元
a) 零电压开关PWM电路基本开关单元b) 零电流开关PWM电路基本开关单元
同谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。
3. 零转换PWM电路
零转换PWM电路可以分为：
1）零电压转换PWM电路；
2）零电流转换PWM电路。
这两种电路的基本开关单元如图8-17所示。
图8-17 零电压转换和零电流转换PWM电路基本开关单元
a) 零电压转换基本开关单元b）零电流转换基本开关单元
这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。而且电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
第四节 UPS不间断电源
目前，不间断电源(Uninterruptible Power Supply—UPS) 在计算机网络系统、邮电通信、银行证券、电力系统、工业控制、医疗、交通以及航空等领域得到了广泛应用。UPS电源不仅能保证不间断供电，同时还能提供稳压、稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。
一、UPS的分类
UPS大致可分成三种：离线式(Off-line)、在线式(On-line)和在线交互式(1ine- interactive)。
1. 离线式UPS电源
离线式UPS也称为后备式UPS，该电源的基本结构如图8-18所示，它由充电器、蓄电池组、逆变器、交流稳压器和转换开关等部分组成。市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，通过转换开关向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组充电；市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池提供的直流电压变换成稳压、稳频的交流电压，转换开关同时断开市电通路，接通逆变器，继续向负载供电。对离线式UPS电源，当市电掉电时，输出有转换时间。目前市场上销售的这种电源均为小功率，一般在2kVA以下。
图8-18 后备式UPS的结构框图
这种电源的特点为：
(1)当市电正常时，只是通过交流稳压后直接输出至负载，因此电路对市电噪音以及浪涌的抑制能力较差。
(2)存在转换时间。
(3)保护性能较差。
(4)结构简单，体积小，重量轻，控制容易，成本低。
2．在线式UPS电源
在线式UPS的基本结构如图8-19所示，它由整流器、逆变器、蓄电池组以及静态转换开关等部分组成。正常工作时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、稳频的正弦波交流电压供给负载。当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。如果逆变器发生故障，UPS则通过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。故障消失后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。由于在线式UPS总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，因此，其供电质量明显优于离线式UPS。目前大多数UPS，特别是大功率UPS均为在线式。
图8-19 在线式UPS的结构框图
在线式UPS的特点是：
(1)输出的电压经过UPS处理，输出电源品质较高。
(2)无转换时间。
(3)结构复杂，成本较高。
(4)保护性能好，对市电噪音以及浪涌的抑制能力强。
3．在线交互式UPS电源
在线交互式UPS的结构框图如图8-20所示。它由交流稳压器、交流开关、逆变器、充电器、蓄电池组和双向转换器组成。市电正常时经交流稳压器后直接输出给负载。此时，通过双向转换器，逆变器工作在整流状态，作为充电器向蓄电池组充电。当市电掉电时，逆变器则将电池能量转换为交流电输出给负载。
图8-20 在线交互式UPS电源
在线交互式UPS的特点如下：
(1)具有双向转换器，UPS电池充电间较短。
(2)存在转换时间。
(3控制结构复杂，成本较高。
(4)保护性能介于在线式与离线式UPS之间，对市电噪声和浪涌的抑制能力较差。
二、UPS的整流器
对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路，它的作用是向逆变器提供直流电源，蓄电池充电由专门的充电器来完成。而对于中、大功率UPS，它的整流器具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时还要向蓄电池进行充电，因此，整流器的输出电压必须是可控的。
中、大功率UPS的整流器一般采用相控式整流电路。相控式整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流输入功率因数低并向电网注入谐波电流。目前，对于大容量UPS大多采用12相或24相整流电路。因为整流电路的相数越多，交流输入功率因数越高，注入电网的谐波含量也就越低。除了增加整流电路的相数外，还可以通过在整流器的输入侧增加有源或无源滤波器滤去UPS注入电网的谐波电流。
目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可使注入电网的电流基本接近正弦波，且功率因数接近1，即整流电路交流侧的电流、电压的相位基本同相，这样大大降低UPS对电网的谐波污染。现以单相电路为例，说明PWM整流电路的工作原理。
图8-21所示是单相桥式全控整流电路结构，其中起整流作用的开关器件采用全控器件IGBT。电路的工作原理为：在交流电源u S的正半周，控制电路关断V2、V3，而在V1、V4的控制极输入SPWM控制脉冲序列，则在A、B两点间获得正半周的SPWM波形，如图8-22所示。同理，在交流电源u S的负半周，控制电路关断V1、V4，而在V2、V3的控制极输入SPWM 控制脉冲序列，则在A、B两点间获得负半周的SPWM波形，通过电容C滤波，在负载上可获得稳定的直流电压。调节加在V2、V3和V1、V4控制极上的脉冲序列的宽度，即可调节整流电路输出直流电压的大小，实现可控整流。
图8-21 单相全桥PWM整流电路图8-22 单相全桥PWM整流电路波形可见，在PWM整流电路的交流端A、B之间产生了一个正弦波调制的电压u AB，u AB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。图8-21中在整流电路的交流侧串有电感L S，它的作用就是将交流侧电流中的高次谐波滤除，使交流侧电流i S产生很小的脉动。如果忽略这些脉动成分，i S为频率与电源电压u S频率相同的正弦波。
在交流电源电压u S一定时，i S的幅值和相位由u AB中基波分量的幅值及其与u S的相位差决定，改变u AB中基波分量的值和相位即改变加在V2、V3和V1、V4控制极上SPWM脉冲序列的幅值和相位，就可使电源电流i S与电压u S相位相同，从而使整流电路交流侧的输入功率因数为1，彻底解决UPS电力电子装置造成的电网谐波污染的问题。
图8-23给出了如何实现电源电流i S与电压u S同相位的控制系统结构示意图。该控制系统为双闭环控制系统。电压环为外环，其作用是调节和稳定整流输出电压。电流环为内环，
其作用是使整流电路交流侧的电流i S与电压u S相位相同。
图8-23 电流与电压同相位控制系统结构图
该图中电压给定控制信号为直流电压U d*，调节U d*可以调节PWM调制波的幅值，即可
调节PWM控制脉宽，使整流输出电压增大或减小。U d为整流输出的实际电压的反馈信号，
如果整流输出电压与给定控制信号所希望的电压值相同，即U d＝U d*，则图中比例积分调节
器PI不起调节作用，整流输出电压U d保持不变。在U d*不变的情况下，因为其它原因使实
际输出电压U d与希望电压值不相等时，U d*与反馈的实际电压信号U d相比较后，可使控制
电路输出的PWM脉冲宽度根据误差值(U d大于或小于U d*)增大或减小，从而使输出电压增大
或减小，使输出电压稳定在希望值。
图中直流输出电压给定信号和实际的直流电压反馈信号比较后送入比例积分PI调节器，PI电压调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值I m，这是一直流信号，它的大小反应了整流输出电压的实际值与希望值之间的差异。它与标准的正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号i S*。标准的正弦波就是与电源电压u S同相位的电压信号，当它与信号I m 相乘后，只增加或减小其幅值，而不会改变它的相位，即i S*的相位始终与电源电压u S的相位相同，其幅值则随着PI调节的差值而变化。这个幅值的变化就是后续PWM控制电路的电压幅值变化的控制信号。因此，可以根据实际输出的电压来调节PWM的脉宽，使输出电压达到希望值。
图中i S为整流电路交流侧实际电流的反馈信号，当这个电流与给定电流的相位相同时，图中比例调节器K不起作用，PWM控制信号保持不变；当反馈电流信号i S与电源电压u S相位有差异时，即i S与i S*有相位差时，调节器K起调节作用，它可以调节后续比较器电路，从而调整PWM脉冲的相位，直到反馈信号i S与给定信号i S*的相位相同而止，这样就达到了整流电路交流侧电流、电压同相位的目的。
三、UPS中的逆变器
正弦波输出的UPS通常采用SPWM逆变器，这是一种抑制谐波分量的最有效的方法，有单相输出，也有三相输出。下面以单相桥式脉宽调制逆变器为例，说明它的基本工作原理。如图8-24所示，对于小功率的UPS，电路中的开关器件一般采用MOSFET管；而对于大功率的UPS，则采用IGBT管。
图8-24 UPS单相逆变电路
图8-24中，V1、V2和V3、V4不能同时导通，否则将使输入直流电源短路，这个电路只在V1、V4和V2、V3间交替导通与关断，负载上才有连续的交流矩形波。如果在输出电压的半个周期内V1和V4导通和关断许多次，在另外半个周期内V2和V3也导通和关断同样的次数，并且在每半周内开关器件的导通时间按正弦规律变化，那么输出波形如图8-25所示。这种波的基波分量按正弦规律变化，而谐波成分最小。当需要调节逆变器输出电压时，控制每个矩形波均按某一比例加宽或减窄，则可实现对输出电压的调节。
图8-25 UPS单相逆变电路输出电压波形
为了滤去开关频率噪声，输出采用LC滤波电路，因为开关频率较高，一般大于20kHz，因此采用较小的LC滤波器便能滤去开关频率噪声。输出隔离变压器实现逆变器与负载之间
的隔离，避免了它们之间电路上的直接联系，从而减少了干扰。另外，为了节约成本，绝大多数UPS利用隔离变压器的漏感来充当输出滤波电感，从而可省去图8-23中的电感L。
逆变器是UPS的核心部分，这不仅由它的功能所决定，也可从它的控制电路的复杂程度看出来。逆变器的主电路目前已比较完善，但是逆变器的控制电路却千变万化，差别很大。一般而言，UPS电源逆变器的控制电路除了与整流电路一样，通过电压闭环控制实现输出电压的自动调节和自动稳压外，还要实现相位跟踪。图8-26中所示的电压给定信号U d*、电压反馈信号u F、PI调节器即可完成这项功能。
图8-26 UPS逆变控制系统结构框图
四、UPS中的锁相技术
因为UPS要和市电并联运行，所以要求其输出电压应与市电同频率、同相位，这就是所谓的相位跟踪。由于锁相环具有跟踪性能好、稳定性高和电路容易集成化等优点，因而在UPS中得到了广泛的应用。锁相技术为提供高质量交流电源创造了条件。
锁相就是利用两个信号的相位差，通过转换装置形成控制信号，以强迫两个信号相位同步的一种自动控制系统，称为锁相环或环路。
基本的锁相环路由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成，如图8-27所示。鉴相器也叫相位比较器，它将周期性变化的输入信号的相位(从市电或本机振荡获得)与反馈信号的相位(从压控振荡器的输出获得)进行比较，产生对应于与两信号相位差成正比的直流误差电压信号u(t)，该信号可以调整压控振荡器的频率，以达到与输入信号同步的目的。
图8-27 基本锁相环路的方框图
低通滤波器用来滤除鉴相器输出电压中的高频分量和噪声，只有直流分量才对压控振荡器起控制作用。为了提高系统的动态特性即改善动态跟踪性，在低通滤波器之后加一个由比例积分放大器组成的调节器可改善捕捉过程中的调节性能。
压控振荡器是一个由电压来控制振荡频率的器件，振荡器在未加控制电压时的振荡频率称为固有振荡频率，用ω0表示。当振荡器的瞬时频率ωv与输入信号的频率ωi不相同时，由于电压的相位值是频率变化值的积分，因而频率的变化会引起电压相位差的变化，而有相位差的变化就有误差电压产生，该误差电压经低通滤波器去控制压控振荡器的输出频率，使其朝着输入频率的方向变化，使二者同步。
五、UPS中的静态开关
所谓静态开关，是一种以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件。图8-28a所示为光电双向晶闸管耦合器的非零电压开关，输入端1、2加输入信号时，光电双向晶闸管耦合器B导通，门极由R2、B形成通路触发双向晶闸管。这种电路相对于输入信号的交流电源的任
意相位均可同步接通，称为非零电压开关。
a) b)
图8-28 两种静态开关
a)非零电压开关 b)零电压开关
图8-28b所示为光电晶闸管耦合的零电压开关，1、2端加输入信号，V1管截止，即光控晶闸管门极不短接时，耦合器B中的光控晶闸管导通，电流经整流桥和导通的光控晶闸管一起为双向晶闸管V提供门极电流，使V导通。由R3、R2、V1组成零电压开关电路，适当地选择R3、R2的参数，使当电源电压过零并升至一定幅值时V1导通，光控晶闸管被关断，这时双向晶闸管截止。
为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式UPS均装有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。静态开关的主电路比较简单，一般由两只晶闸管或一只双向晶闸管组成，单相输出UPS的静态开关如图8-29所示。
图8-29 单相输出UPS静态开关原理图
静态开关的切换有两种方式：同步切换和非同步切换。在同步切换方式中，为了保证在切换过程中供电不间断，静态开关的切换为先通后断。假设负载由逆变器供电，由于某种故障，例如蓄电池电压太低，需要由逆变器供电转向旁路市电供电，切换时首先触发静态开关2，使之导通，然后再封锁静态开关l的触发脉冲。由于晶闸管导通以后，即使除去触发脉冲，它仍然保持导通，只有等到下半个周期到来时，使其承受反压，才能将其关断，因此，存在静态开关l和2同时导通的现象，此时市电和逆变器同时向负载供电。为了防止环流的产生，逆变器输出电压必须与市电同频、同相、同幅度。这就要求在切换的过程中，逆变器必须跟踪市电的频率、相位和幅值，即上面所说的锁相，否则，环流会使逆变器烧坏。
绝大部分在线式UPS除了具有同步方式外，还具有非同步切换方式。当需要切换时，如果UPS的逆变器输出电压不能跟踪市电，则采用非同步切换方式，即先断后通切换方式，首先封锁正在导通的静态开关触发脉冲，延迟一段时间，待导通的静态开关关断后，再触发另外一路静态开关。很明显，非同步切换方式会造成负载短时间断电。
第五节有源功率因数校正器
随着电力电子技术的发展，从20世纪五六十年代开始，电力电子装置大量应用在工业
领域和日常生活领域。当整流装置、调频焊机、电子镇流器等接到交流电网时，电网电流将产生非正弦畸变，导致电网电压产生畸变和高次谐波，影响其它用电设备、通信等正常运行，严重时还影响到发电设备的安全运行，通常把电力电子装置使电网产生的非正弦畸变叫做“电子公害”。为此，国际电工委员会已制定了相关的标准IEC555—2，该标准对用电装置输入波形失真度和功率因数都作了明确的具体限制。如何改善电力电子装置的输入波形和功率因数，已成为电力电子学的重要研究课题。
一、有源电力滤波器和有源功率因数校正
消除电力系统的谐波有无源技术和有源技术两种办法。无源技术是指在电路中接入LC 网络，这种技术只能对某些特定的谐波进行抑制和基波移相补偿。这种方法最早用于电力系统，其电路体积和质量都很大。随着电力电子技术的发展，人们又提出了两种对策：一种是在电网的公用负载端并接一个专用的功率变换器，对无功及谐波电流进行补偿，这就是有源滤波器(Active Filter)，如图8-30所示。它能将电网电流补偿成为与电网电压同相的正弦电流。另一种是在负载即电力电子装置本身的整流器和滤波电容之间增加一个功率变换电路，这就是有源功率因数校正(Active Power Factor Correction—APFC)电路。它能将整流器的输入电流校正成与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1，其原理框图如图8-31所示。
图8-30 有源滤波器图8-31 APFC的基本原理框图
二、畸变电流的产生与APFC的基本原理
图8-32a是传统的整流滤波电路，整流二极管只有在输入电压u i大于负载电压u o时才导通。也就是说，只有在电容C充电期间才有电网的输入电流i i，该电流为峰值很高的脉冲电流，如图8-32b所示。由于输入电流存在波形畸变因而会导致功率因数下降并产生高次谐波分量，污染电网。
a) b)
图8-32 传统整流电路及波形图
a)整流滤波电路 b)波形图
采用有源功率因数校正技术是解决上述问题的有效途径。APFC技术的基本思想是将输入交流电进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入DC／DC变换电路，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，即使整流器的输出电流跟随它输出的直流脉动电压波形且要保持储能电容电压稳定，从而实现稳压输出和单位功率因数输入，其原理如图8-33所示。从原理框图来看，这就是一种开关电源，但它与传统的开关电源不同，DC／DC变换电路之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，而不像开关电源那样是方波。这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时检测与监控，控制结果是使全波整流器的输入功率因数近似为1。
图8-33 APFC基本电路
三、有源功率因数校正的电路结构
APFC的电路结构有双级式和单级式两种，如图8-34所示。双级式电路是由Boost转换器和DC／DC变换器级联而成的，中间直流母线电压一般都稳定在400V。前级的Boost电路实现功率因数校正，后级的DC／DC变换器实现隔离和降压。其优点是每级电路可单独设计和控制，特别适合作为分布式电源系统的前置级。单级式APFC电路集功率因数校正和输出隔离、电压稳定于一体，结构简单，效率高，但分析和控制复杂，适用于单一集中式电源系统。
a) b)
图8-34 有源功率因数校正电路结构
a)双级式 b)单级式
四、有源功率因数校正的控制
有源功率因数校正技术的思路是，控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前能与整流后的电压波形相同，从而避免形成电流脉冲，达到改善功率因数的目的。有源功率因数校正电路原理如图8-35所示，主电路是一个全波整流器，实现AC／DC的变换，电压波形不会失真；在滤波电容C之前是一个Boost变换器，实现升压式DC／DC变换。从控制回路来看，它由一个电压外环和一个电流内环构成。在工作过程中，升压电感L1中的电流受到连续的监控和调节，使之能跟随整流后正弦半波电压波形。
整流器输出电压u d、升压变换器输出电容电压u C与给定电压U C*的差值都同时作为乘法器的输入，构成电压外环，而乘法器的输出就是电流环的给定电流I S*。
浅谈电力电子技术在电子电源中的应用 衢州电力局吴丹 电力电子技术无处不在、天生具有节能效果预计全球未来将有95%以上的电能要经过电力电子技术的处理后才能使用。电力电子技术的核心是电力电子元器件电力电子元器件的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，以功率MOSFET和IGBT为代表的功率半导体器件的诞生，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。CCID预计电力电子器件的年平均增长速度超过20%。IGBT 等新型电力电子器件的年平均增长率超过30%。电力电子装置种类繁多、行业应用范围极广电力电子装置主要包括三大类产品：变频器、电能质量类产品以及电子电源产品。电力电子技术在电力行业的应用涉及发电、输电、配电、其中电力电子技术在电子电源产品中的应用尤为突出。 电子电源就是对公用电网或某种电能进行变换和控制，向各种用电负载提供优质电能的供电设备，其代表有开关电源和不间断电源(UPS)等。其中开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。因为开关三极管总是工作在“开” 和“关” 的状态，所以叫开关电源。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。开关电源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点，缺点是功率相对较小，而且会对电路产生高频干扰,变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉冲电流或电压的电路叫振荡电路，变压器反馈式振荡电路就
是能满足这种条件的电路。 程控交换站，计算机、电视、医疗设备、航天、航海舰艇及家电上，都广泛应用开关电源，开关电源最大的应用领域是在通信行业，美国开关电源中用于通信方面的占开关电源总量的35%。这些开关电源都采用高频化技术，使其体积重量大大减小，能耗和材料也大为降低。 下面介绍一款典型的单片开关电源产品——TOP开关。 1、结构：TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO 220或8脚DIP封装。少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C 控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。 2、工作原理：TOP包括10部分，其中Zc为控制端的动态阻抗，RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。主要特点是： （1）前沿消隐设计，延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击；
浅谈电力电子技术 【摘要】电力电子技术正在不断发展，新材料、新结构器件的陆续诞生，计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持，在各行各业中的应用越来越广泛。电力电子技术在电力系统中的应用研究与实际工程也取得了可喜成绩。 【关键词】电力电子电路；电力电子；电子元件 电力电子技术诞生近半个世纪以来，使电气工程、电子技术、自动化技术等领域发生了深刻的变化，同时也给人们的生活带来了巨大的影响。目前，电力电子技术仍以迅猛的速度发展着，新的电力电子器件层出不穷，新的技术不断涌现，其应用范围也不断扩展。不论在全世界还是在我国，电力电子慢慢的被人所熟知，下面我们就电力电子电路和其应用、结构等进行简单阐述。 1.电力电子电路 1.1 电子电路的概念 电子电路时利用电力电子器件对工业电能进行变换和控制的大功率电子电路。因为电路中无旋转元、部件，故又称静止式变流电路，以区别于传统的旋转式变流电路（由电动机和发电机组成的变流电路）。电力电子电路始见于20世纪30年代，包括由气体闸流管和汞弧整流管组成的低频变流电路和由高频电子管组成的变流电路。它们构成了第一代电力电子电路。60年代由晶闸管组成了第二代电路，泛称半导体电力电子电路（又称半导体变流电路）。80年代，由于可关断晶闸管（GTO）和双极型功率晶体管（GTR）等新型器件的实用化，又逐渐在不同领域中取代了普通晶闸管并形成第三代电路。由于它们具有控制极关断和工作频带较宽的优点，使电力电子电路具有更佳的技术和经济性能，获得了更为广泛的应用。 1.2 电力电子电路的特征 电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，电压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替 1.3 典型电力电子电路的系统结构 电力电子电路的系统包括以下三种： （1）电力电子器件：如功率二极管、晶闸管、功率MOSFET、IGBT、MCT
浅谈电力电子技术的发展及应用 发表时间：2017-11-06T13:35:33.807Z 来源：《电力设备》2017年第18期作者：王鹏 [导读] 摘要：文章从电力电子技术的相关概念及其发展历程出发，就此项技术在交通运输、家电、电力节能等方面的具体应用展开探究。 （南瑞集团公司（国网电力科学研究院）国电南瑞科技股份有限公司江苏省南京市 210000） 摘要：文章从电力电子技术的相关概念及其发展历程出发，就此项技术在交通运输、家电、电力节能等方面的具体应用展开探究。 关键词：电力电子技术；发展；具体应用 1电力电子技术的相关概念 电力电子技术又称为功率电子技术，主要是对各种电子电力器件，以及与之构成的可控制、转换电能的相关装置及电路展开研究。此技术不仅是电工学在电子领域或弱电中的分支，同时也是电子学在电动领域或强电中的分支，总体来说，是结合强弱电的一门新型学科。当前，我国科技发展迅猛，电力电子技术也愈发重要，其可优化电能的使用情况，达到高效节能的目的。除此之外，通过应用电力电子技术，可有效改造相关传统产业，促进机电一体化发展，并且还能统一功率及信息化处理，在有机结合微电子技术的基础上，促进电子技术的进一步改革与发展。 2电力电子技术的发展历程 自上世纪五十年代诞生第一只晶闸管以来，电力电子技术就获得了显著发展，并在电气传动技术领域占据了重要的一席之地。以下就电力电子技术的发展历程展开探究。 2.1晶闸管整流时代 工频（也即50Hz）交流发电机为大功率工业用电的主要来源，在实际应用过程给中，以直流形式消费的电能约占20%，例如牵引（包括地铁机车、电气机车、城市无轨电车等）、直流传动（造纸及轧钢）、电解（包括化工原料及有色金属）等领域。为将工频交流电高效率地转变为直流电，就需要应用到大功率的硅整流器。在20世纪60、70年代，人们加大了大功率硅整流器的开发及应用力度，国内还曾掀起开办硅整流器厂的热潮，现阶段我国大部分的硅整流器制造厂就是于那个时代建成的，那一时期也被称为电力电子技术晶闸管时代。 2.2逆变时代 自20世纪70年代以后，自关断器件被制造出来并投入实际应用中，此时，电力电子技术便进入到逆变时代。当时，在世界范围内爆发了能源危机，而具备显著节能效果的交流电机变频调速因此获得了迅速的发展。其中，将直流电逆变为频率为0至100Hz的交流电为变频调速的关键性技术，而应用在大功率逆变中的晶闸管、门极可关断晶闸管、巨型功率晶体管等便迅速成为当时众多电力电子技术的主要组成部分。尽管当时电力电子技术已实现逆变以及整流等功能，但工作频率比较低，且只是在中低频率的范围内。 2.3现代变频器时代 自20世纪80年代以后，人们加大了大规模集成电路技术的应用力度，这为电力电子技术的发展奠定了扎实的基础。在集成电路技术中，高压大电流以及精细加工两种技术得到了有机结合。其中，传统采用低频技术处理问题为主的电力电子学，以及集大电流、高压、高频于一身的，以功率IGBT与MOSFET为代表的功率半导体复合器件，均朝着以高频处理问题为主的现代电力电子学方向进行转变。此种现象显示，当时已进入到了电力电子的现代变频器时代。在此时期，集成电路技术被大规模应用在各种新型的器件中，并不断朝着模块化及复合化的方向发展，不但有效缩小了电力电子器件的体积，使其结构更加紧凑，而且还能将不同器件的优点进行综合。总体而言，随着这些新型器件的飞速发展，交流电机变频调速的频率更高，性能也更加可靠、完善，这为电力电子技术的高频发展，以及用电设备的小型轻量化、节材节能高效化、机电一体化提供了非常重要的基础支持。 3电力电子技术的具体应用 3.1在交通运输中的具体应用 随着时代的进步与发展，电力电子技术在众多领域得到了非常广泛的应用，例如在电气化铁道交通中，电气机车中的交流机车便应用到了变频装置，而直流机车则应用到了整流装置。同时，在磁悬浮列车中的牵引电机传动以及各种辅助电源等方面，也应用到了电子电力技术，可以说，磁悬浮列车的顺利运行离不开电力电子技术的支持。除此之外，在电动汽车的电机方面，为了发挥出控制驱动的作用，同样需要对电子装置展开合理应用。而在飞机、船舶等交通运输工具方面，其对电源的应用也存在着不小的差异，因此，科学应用电力电子技术就具有关键性的作用。 3.2在家电中的具体应用 在人们日常生活中的各种家电方面，电力电子技术也得到了较为广泛的应用，给人们的生活带来了极大的便利。例如，生活中常见的洗衣机，通过应用电力电子技术，便可有效替代手工劳动，人们只需在洗衣机中放入脏衣服，再按下按钮，便可借助电力电子技术的相关功能完成洗衣服的整个过程。其次，厨房中常见的洗碗机，其应用电力电子技术的原理与洗衣机的应用原理大致相同；而空调器通过应用电力电子技术，可起到显著的节能效果，经大量实践研究证明，其节约的电能约占30%及以上；在工作效率方面，电频荧光灯要明显高于平常使用的普通白炽灯。 3.3在发电环节中的具体应用 经分析得知，我国经济快速发展离不开能源的支持，在经济建设不断深入的大背景下，消耗了大量的能源，特别是电能。现阶段，经济发展的一项关键条件便是有机结合电力与工业，正是由于电能具有利用率高、稳定性高等显著优势，因而其消耗量呈现出不断增加的趋势。分析我国工业发展的整体情况可知，当前的工业用电还存在一系列不了合理的情况，导致电力能源的严重浪费。随着可持续发展理念的提出与实行，人们对节约电能也愈发重视。而通过应用电力电子技术，便可有效节约原材料，优化各种电力设备的性能，最终充分降低电能的消耗程度。 3.4在电力节能中的具体应用 近些年来，我国不断加大对水力发电、风力发电等新能源的开发及利用力度，其中涉及到发电机电流频率的转换。具体来说，水头的流量及压力对水力发电的功率起到了决定性的作用，而这会影响到机组最佳转速的变化。此时，为实现有效功率的最大化，就需要对转子励磁电流频率进行调整，从而实现机组的变速运行。此外，在大型发电机中，也应用到了晶闸管整流自并励的方式来实现相对静止励磁的
浅谈电力电子技术在电力系统中的应用与发展趋势 李洪新 胜利油田滨南采油厂山东省滨州市２５６６０６ 摘要，概述性地介绍电力电子技术在电力系统中的各类应用，重点在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用．以及电力电子技术的发展趋势。 关键词ｓ直流输电；电力电子；微电子；发电机；换流技术 前言 电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。电力电子技术广泛应用于国民经济、人民生活和现代化军事装备等众多领域，是传统产业改造，高新技术发展和国防工业进步的重要支柱。据估算，现代化国家所用电能的９０％以上都将利用电力电子技术进行各种处理，可大量节约电能和提高用电设备的性能。发电和远距离输电的现代化技术更大量需要电力电子技术。 经过５０年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电（ＨＶＤＣ）。自２０世纪８０年代，柔性交流输电（ＦＡＣＴＳ）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用，以及电力电子技术的发展趋势。 ｌ电力电子技术和微电子技术 １９４７年晶体管发明之后，到５０年代末开始向两个方向发展。一个是以１９５８年集成电路的诞生为标志的微电子技术，它面向处理，其特点是加工线条越来越细，集成度越来越高，功能越来越全。目前生产水平典型线宽为０．５－０．６微米，典型产品为１６Ｍｂ的动态随机存储器（ＤＲＡＭ）和ＰｏｗｅｒＰＣ及Ｐｅｎｔｉｕｍ（奔腾）微处理器。研制水平还远高于此。微电子技术的发展带动了一系列高新技术的兴起，标志着第一次电子技术革命的开始，其应用几乎遍及所有领域。 １９５７年晶闸管的问世标志着电力电子技术的开端，它面向电力处理，其特点是功率越来越大，性能越来越高，派生器件越来越多。到７０年代末期８０年代初为传统电力电子技术已经衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管、不对称晶闸管、光控晶闸管等整个家族。 ８０年代以来，微电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上，又逐渐走向结合。电力电子器件在工艺和结构上，大量采用微电子微细加工技术的工艺方法和加工设备，使传统电力电子器件的高电压、大电流、深注入技术与微细加工技术有机结合，统一在一块芯片上。目前，典型电力电子器件的最细线条可达２－３微米。从此产生现代电力电子技术，开始了第二次电子技术革命。 电力电子技术与微电子技术结合，首先出现了多种全控型器件。它们的功能特点是实现了自关断，从而避免了传统电力电子器件关断时所需的强迫换流电路。其结构特点是，一个器件由多个元胞并联，大面积集成。例如，１０００Ａ的门极关断晶闸管（ＧＴＯ）含有近千个单元（ＧＴＯ）。一个４０Ａ／ＩＯＯＶ的电力ＭＯＳ场效应管（ＶＤＭＯＳ），有３．５万个元胞并联，最小间距３微米，整个制造过程共ｉ００多道工序，全部利用微电子ＭＯＳ集成电路制造技术。其中关键工艺为离子注入、细线光刻、外延、自对准双扩散、薄栅氧化、表面钝化及背面金属化等。一个３００Ａ的静电感应晶闸管（ＳＩＴＨ）含有５万个元胞，而一个５０Ａ／５００Ｖ的ＭＯＳ控制晶闸管（ＭｃＴ）则含有１０万个元胞并联。
电力电子技术在电力系统中的应用及发展 摘要:随着计算机应用技术在电力系统中的不断发展和普及化,对于电力电子技术的重视程度也越发增加。面对我国电力系统的不断建设和庞大的用电量，电力电子技术为我国当代电力生产供应系统提供了良好的技术平台,为电力系统的发电、配电、输电功能给予了支持. 关键词:电力电子技术;电力系统;应用及发展 Aｐplicatｉon aｎｄDeveｌoｐment of PowerＥｌeｃtｒoｎiｃTechnｏlogy iｎＰｏwｅr Sｙsｔem Aｂｓtraｃt：With tｈe contｉnｕｏｕｓdｅvｅlopｍent and ｐｏpularｉｚatｉoｎｏｆcomｐuterａpplication teｃｈnology iｎpowｅr syｓtｅｍ,thｅimｐｏｒtanｃe oｆｐoｗer ｅleｃtroniｃs teｃhnologｙｉs increasｉnｇ．In tｈe fａce of ｔhe ｃont ｉnuｏｕs construｃtiｏn of Chｉna'ｓpoｗer sysｔemａnｄｈuge poweｒcoｎｓumption，pｏweｒelectronic teｃhｎolｏgy ｆoｒChiｎa＇s conteｍporaｒy power productiｏn and sｕpply systeｍprｏvｉｄeｓa gｏod teｃhnolｏｇy plａｔform ｆｏｒpower system poweｒgeneratioｎ，dｉｓtribution，tｒansmiｓsｉon functionｔｏsuppｏrｔ。 Ｋey wｏｒds:poｗeｒelectronics technoｌogy；powｅr sｙｓtｅm；aｐplicatioｎand ｄevelopｍｅｎt ０前言 电力电子技术是综合了电子技术、控制技术和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学科[ １］ .作为一门学科, 其发展始于 1956 年贝尔实验室发明晶闸管，其后经历了上世纪六七十年代的整流器时代（工频), 七八十年代的以0 ～100 Ｈz 的 G TR 、G T Ｏ为主角的变频调速、高压直流输出、静止或无功补偿等中低频范围应用的逆变器、变频器时代, 至八九十年代以功率 M OSFET 和IGBT 为代表，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的出现，表明以低频技术处理问题为主的传统电力电子技术已进入以高频技术处理问题为主的现代电力电子时代.电力电子技术是电工技术中的新技术，是电力与电子技术（强电和弱电技术)的融合, 已在国民经济中发挥着巨大作用，对未来输电系统性能将产生巨大影响。目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面，包括发电环节、输配电系统、储能系统等等［2］。
浅谈电力电子技术的发展及应用领域 【摘要】电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。 【关键词】电力电子技术；发展；应用领域 一、概述 电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的，为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 二、电力电子技术的发展 随着电力半导体制造技求、徽电子技术、计算机技术，以及控制理论的不断进步，电力电子技求向着大功率、高频化及智能化方向发展，应用的领域将更加广阔。 1.整流器时代。整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。其中最典型的是电解、牵引和直流传动三大领域，大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得到很大发展。 2.逆变器时代。是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220V，50Hz正弦波）。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。上世纪七十到八十年代随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。 3.变频器时代。是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。80年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管（IGBT）的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。 三、现代电力电子的应用
【关键字】技术 1. 电力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的保守电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明保守电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 1.1 整流器时代 大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。 1.2 逆变器时代 七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(G TR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。 1.3 变频器时代 进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是保守的电力电子向
宁波工程学院 学年论文 论文题目：浅谈电力电子技术的应用 学院名称：电子与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化092班 学生姓名：商家骐学号：09401170217 指导教师：孔中华 起讫时间：2011年10月10日至2011年12月30日
浅谈电力电子技术的应用 商家骐 ( 宁波工程学院电子与信息工程学院浙江宁波315016) Concerning the application of the power electronic technology SHANG Jiaqi (School of Electron and Information Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016 , China) 摘要：电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。[1] Abstract:Power electronic technology is based on the electronics, electrical principle and automatic control three subjects of the new study. Because it is itself a high-power electric technology, and are mostly for the application of high voltage of the service industry, reason often will it belongs to an electrician class. The main content of the power electronic technology including power electronic devices, power electronic circuits and power electronic device and its system. Power electronics device with semiconductor materials for basic, the most commonly used material for monocrystalline silicon; Its theoretical basis for semiconductor physics; Its technology for semiconductor devices process. 引言： 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大的电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅是因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。[2] 一．电力电子技术在工业方面的应用 随着电力电子技术的逐渐成熟，工业上各种对电器件的控制已经离不开电力电子技术了。现代工厂引进的设备种类繁多，每种设备対电的幅值频率要求都不会一样因此要求工厂具备繁多复杂的输电能力，配电能力和变频能力。下面举几个实用例子来阐述： 1.1 发电厂风机水泵的变频调速 发电厂的厂用电率平均为8％，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65％，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品，但具备高压大容量变压器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。 图1 西门子风机水泵专用变频器 Fig.1 Siemens fan pump inverter