电力电子应用技术第四章

六.软开关技术
1. 软开关基本原理 2. 准谐振变换电路
1. 软开关基本原理
如果开关器件是在零电压、 零电流条件下完成开关过程，那 么开关损耗减小为零。准谐振开 关电路（QRC）即可实现上述要 求。根据是在零电流条件下的开 通或关断，还是在零电压下的开 通或关断，分为零电流开关 （Zero Current Switch，ZCS） 和零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS）两类，统称双零 谐振开关，如图所示。
直流PWM控制技术，是指利用电力电子开关器件，把恒定直流电压 变换成电压脉冲列，并通过改变电压脉冲宽度达到改变输出直流电压的 控制技术。它是直流变换电路中最常用的一种控制方式，基本电路如图 （a）所示。当开关S闭合时，负载电压 ，持续时间 ；当开关S断开时， 负载上电压 ，持续时间 。故为斩波电路的工作周期。电路的输出电压、 电流波形如图（b）所示。
2. 准谐振变换电路 （1）零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC）
（2）零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）
2.降压斩波电路
（1）电路结构
直流降压斩波电路（Buck Chopper）一种输出电压平均值低于 输入直流电压的电路。主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。 降压斩波电路的原理如图所示。
（2）工作原理
（3）数量关系
（4）正激变换器
3.升压斩波电路
（1）电路结构
（2）工作原理 （3）数量关系
一 .电力晶体管的工作原理与参数
1.结构与工作原理 2.基本特性 3.主要技术参数 4.二次击穿和安全工作
1.结构与工作原理
（1）结构
一个GTR芯片包含有大量的并联晶体管单元，这些晶体管单元共用 一个大面积集电极，而发射极和基极是多个并联。对GTR来说，主要 考虑的指标是高耐压、大电流和优良的开关特性。用于信息处理的普 通晶体管更注重单管电流放大系数、线性度、频率响应以及噪声和温 漂等性能参数。

图4-4 较为理想的门极电压和电流波形
《电力电子技术》
2．GTO的驱动电路
a) b) 图4-5 GTO门极驱动电路 a)小容量GTO门极驱动电路 b)较大容量GTO桥式门极驱动电路
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3．GTO的保护电路
b) c) d) 图4-6 GTO的阻容缓冲电路 图4-6为GTO的阻容缓冲电路。图4-6a只能用于小电流；图4-6b加 在GTO上的初始电压上升率大，因而在GTO电路中不推荐；图4-6c与图 4-6d是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量使用速度快 的，并使接线短，从而使缓冲器电容效果更显著。
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a)
第三节 电力场效应晶体管(Power MOSFET)
一、电力MOSFET的结构 电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上， 使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和 提高电流密度。
a)
b) 图4-14 电力MOSFET的结构和符号 a) MOSFET元组成剖面图 b) 图形符号
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二、工作原理
IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种 压控型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电 压 uGE 决 定 的 ， 当 uGE 为正且 大 于开启电 压 uGE(th) 时， MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导 通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时， MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。 PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟 道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图4-19c所示。 对应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT 统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多。

（4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用。
4.3.1 单相电流型逆变电路
（1）电路结构
①用④阻载② 载来③ 联 确4并抗电个采 电限应C谐联，压桥和用 压制称振谐谐波臂L负 （晶之式振波形、，载 呈闸为逆回在接R每换 容管容变构路负近桥相性开性电成对载正臂方）通小路并基上弦晶式。时失（联波产波闸，的谐但谐呈生。管要d负最振高的i各/求载d终电阻压t串负）负路抗降联载载，，很一电仍故对小个流略此谐，电略显电波因抗超容路呈此器前性称低负L于T，为，负并准
4.2.1 单相电压型逆变电路
1、 半桥逆变电路 •（1）电路图
+
Ud 2
Ud
Ud 2
-
V1 io R L
u o V 2
a)
VD 1
VD 2
*导电方式：
V1，V2信号互补，
各导通180゜。
•半桥逆变电路有两个桥臂， 每个桥臂有一个可控器件和一 个反并联二极管组成。 •在直流侧接有两个相互串联 的足够大的电容，两个电容的 联结点是直流电源的中点。 •负载联结在直流电源中点和 两个桥臂联结点之间。
能否不改变直 流电压，直接进行 调制呢？为此提出 了导电方式二：
移相导电方式。
*导电方式二：移相调压 调节输出电压脉冲的宽度
采用移相方式调节逆变电路的输出电压
• 各IGBT栅极信号为180°正偏， 180°反偏，且V1和V2栅极信号互补， V3和V4栅极信号互补； • V3的基极信号不是比V1落后180°，
而是只落后q ( 0< q <180°)；
• 也就是：V3、V4的栅极信号分别比
V2、V1的前移180°-q 。
工作过程
•t1时刻以前V1，V4通，u0=ud, io 从 0 增加； •t1时刻V4断，V1，VD3续流，u0=0，io 下降； • t2时刻V1也关断，io 还未下降到0，于是VD2，VD3续流，u0=-ud。 •直到io过0变负，V2，V3通，u0=-ud, io从0负增加； •t3时刻V3断，V2，VD4续流，u0=0，io 负减小； • t4时刻V2也关断，io 还未减小到0，于是VD1，VD4续流，u0=ud。

t
不通io过零后， VT2开通， VT2导通角小于π； iG1
➢ 原有的io表达式仍适用，只是α ≤ωt <∞；
O iG2
➢
过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt = α (α
O io
iT1
t t
< φ)时合闸的过渡过程相同；
O iT2
t
➢ io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量； <时阻感负载图交4-流5 调压电路工作波形
交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态 周期数的比，调节输出功率平均值的电路。
交流斩波调压电路：改变占空比，调节输出电压有效值。 交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。
■ 应用 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）
异步电动机软起动
异步电动机调速
VD1 V1
i1
斩波控制
u1
V2 VD2
斩波控制
V3
VD4
R
uo
VD3 V4 L
续流通道 续流通道
图4-9 交图流4斩-波7 调压电路图
■ 特性
4.3 交流斩波电压电路
➢ 电源电流的基波分量和电源电压同相位， 即位移因数为1；
➢ 电源电流不含低次谐波，只含和开关周期 T有关的高次谐波；
➢ 功率因数接近1。
图4-7 三相交流调压电路基本形式及输出波形
4.2 交流调功电路
■ 交流调功电路——以交流电源周波数为控制单位 ■ 交流调功电路 VS 交流调压电路
➢ 相同点：电路形式完全相同
➢ 不同点：控制方式不同——将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波， 改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均