[嵌入式]【知识点总结】电力电子技术——第二讲

电力电子技术——第二讲

总结内容：
逆变电路、电压型逆变电路、电流型逆变电路、直流斩波器、Buck电路、Boost电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、 Sepic斩波电路、 Zeta斩波电路、扩展 电赛 双向DC-DC电路、隔离电源、多重斩波电路

提示：本文章是本人结合所学的课程进行总结所写，如果大家感兴趣，直接从目录里找需要的看。本文很长，切忌一口气读完

前言

简介：

大家好，接着之前的电力电子技术第一讲，现在我开始总结第二讲。之前由于九月推免，不得不耽搁几周，如今已然上岸，那我更得抓紧时间将本科的内容尽快完成总结。
本人学艺不精，有一些知识点地方可能存在瑕疵，希望各位大佬可以多多指教。

以下是本篇文章正文内容：

第三章——逆变电路（DC-AC）

在第二讲时，我们分析了有源逆变的过程，现在我们来分析一下宏观概念的逆变，本章主要讲述无源逆变。
逆变：与整流相对应，直流电变成交流电。若交流侧接电网，为有源逆变；若交流侧接负载，为无源逆变。

一.基本工作原理

我们以“H”桥为例进行分析：

S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压 uo 为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压 uo 为负。进而实现直流电转变为交流电。我们只需改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。当负载是阻感负载时，io 相位滞后于 uo ，波形也不同。可以看出，在整个逆变电路中最重要的莫不过于换流了。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。换流方式分类：
①器件换流——利用全控型器件的自关断能力进行换流。
②电网换流——电网提供换流电压的换流方式。如将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。
③负载换流——由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合（即负载为容性），都可实现负载换流。如整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。
④强迫换流——设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。其又可以分为直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容直接提供换流电压 和 电感耦合式强迫换流——通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流

⑤电压换相——给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流。
⑥电流换相——先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压。

二.电压型逆变电路

根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类
◆电压型逆变电路：直流侧是电压源
特点：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。阻感负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
◆电流型逆变电路：直流侧是电流源
特点：直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

1.单相电压型逆变电路

在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。

工作原理：设开关器件 V1 和 V2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。t2 时刻给 V1 关断信号，给 V2 开通信号，则 V1 关断，但感性负载中的电流 io 不能立即改变方向，于是 VD2 导通续流，当 t3 时刻io降零时，VD2 截止，V2 开通，io 开始反向，由此得出如图所示的电流波形。
VD1或 VD2 通时，io 和 uo 反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2 称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。
优点：简单，使用器件少；
缺点：输出交流电压的幅值 Um 仅为 Ud/2 ，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；

若采用全桥的形式，共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压 Ud 来实现。

2.三相电压型逆变电路

由三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。基本工作方式是180°导电方式。同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 °，任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。
基本数量关系：
①输出线电压有效值 U_UV 为 U_UV = 0.816 U_d
②基波幅值 U_UV1m = 1.1 U_d 有效值： U_UV1 = 0.78 U_d
③负载相电压有效值 U_UN = 0.471 U_d
④基波幅值 U_UV1m = 0.637 U_d 有效值： U_UV1 = 0.45 U_d

三.电流型逆变电路

1.单相电流型逆变电路

由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。 采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。 电容C和L 、R构成并联谐振电路。输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。

工作原理：在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。
①t1~t2：VT1 和 VT4 稳定导通阶段，io = Id，t2 时刻前在 C 上建立了左正右负的电压。
②t2 时刻触发 VT2 和 VT3 开通，开始进入换流阶段。由于换流电抗器LT的作用，VT1 和 VT4 不能立刻关断，其电流有一个减小过程，VT2 和 VT3 的电流也有一个增大过程。
③4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。经LT1、VT1、VT3、LT3回到电容C；另一条回路经 LT2、VT2、VT4、LT4 回到电容C。
④t4时，VT1、VT4 电流减至零而关断，直流侧电流 Id 全部从 VT1、VT4 转移到 VT2、VT3，换流阶段结束。
⑤晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻换流结束后还要使 VT1、VT4 承受一段反压时间。
实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。当然也有他励方式，这里不展开叙述。

2.三相电流型逆变电路

基本工作方式是120°导电方式，每个臂一周期内导电120°，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。换流方式为横向换流。

工作原理：输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波。输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲。输出交流电流的基波有效值 I_U1 和直流电流 I_d 的关系为 I_U1 = 0.78 I_d

拓展——电容器所充电压的规律：对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电压极性相反。

典例——串联二极管式晶闸管逆变电路：
其为电流型三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。采用120°导电工作方式，输出波形和上图的波形大体相同。采用强迫换流方式，电容C1~ C6为换流电容。

等效换流电容概念：图4-16中的换流电容 C13 就是图4-15中的 C3 与 C5 串联后再与 C1 并联的等效电容。

原理分析：分析从 VT1 向 VT3 换流的过程，假设换流前 VT1 和 VT2 通，C13 电压 U_C0 左正右负。换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。
①t1 时刻触发 VT3 导通，VT1 被施以反压而关断，Id 从 VT1 换到 VT3 ，C13 通过 VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和 VT3 放电，放电电流恒为 Id ，故称恒流放电阶段，如图4－16b。u_C13 下降到零之前，VT1 承受反压，反压时间大于 tq 就能保证可靠关断。
②t2时刻 uC13降到零，之后C13反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时导通，进入二极管换流阶段。
③随着 C13 电压增高，充电电流渐小，iV 渐大，t3 时刻 iU 减到零，iV = Id，VD1 承受反压而关断，二极管换流阶段结束。
④t3以后，进入VT2、VT3稳定导通阶段。
⑤从 VT1 向 VT3 换流的过程中，如果负载为交流电动机，则在 t2 时刻 uC13 降至零时，如电机反电动势 eVU > 0，则 VD3 仍承受反向电压而不能导通。直到 uC13 升高到与 eVU 相等后，VD3 才承受正向电压而导通，进入 VD3 和 VD1 同时导通的二极管换流阶段。

四.多重逆变电路和多电平逆变电路

电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响。
常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为接近正弦波的波形。也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。

第四章——直流直流变流电路（DC-DC）

直流-直流变流电路包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
直接直流变流电路：也称斩波电路，功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流
电。一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。
间接直流变流电路：在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

一.基本斩波电路

1. Buck电路（降压斩波电路）

使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。

工作原理：
t = 0 时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 u_o = E，负载电流 io 按指数曲线上升。
t = t1 时控制V关断，二极管VD续流，负载电压 uo 近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

基本数量关系： U_o = t_ON E / T = α E （ α 为导通占空比）
应注意：电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。

2. Boost电路（升压斩波电路）

假设L和C值很大。

① V处于通态时，电源E 向 电感L 充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。
② V处于断态时，电源E 和 电感L 同时向 电容C 充电，并向负载提供能量。
基本数量关系：
当电路工作于稳态时，一个周期T中 电感L 积蓄的能量与释放的能量相等。 U_o = E T / t_ON

输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。

3.升降压斩波电路

① V导通时，电源E 经 V 向 L 供电使其贮能，此时电流为 i1 ，同时 C 维持输出电压恒定并向负载R供电。
② V关断时，L的能量向负载释放，电流为 i2 ，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。
基本数量关系：
稳态时，一个周期T 内 电感L 两端电压uL对时间的积分为零，即 U_o = E α / （1 - α）

改变导通比 α ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当 0 < α < 1/2 时为降压，当 1/2 < α < 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。

4. Cuk斩波电路

类似于升降压斩波电路，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。

① V导通时，E—L1—V 回路和 R—L2—C—V 回路分别流过电流。
② V关断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。
（输出电压的极性与电源电压极性相反）
S合到B点时，B点电压 uB = 0，A点电压 uA = -uC
S合到A点时，B点电压 uB = uC ，A点电压 uA = 0
基本数量关系：C的电流在一周期内的平均值应为零，即 U_o = E α / （1 - α）
与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

5. Sepic斩波电路

① V导通时，E—L1—V 回路和 C1—V—L2 回路同时导电，L1 和 L2 贮能 C2－R 。
② V关断时，E—L1—C1—VD—负载回路 及 L2—VD—负载回路 同时导电，此阶段 E 和 L1 既向负载供电，同时也向 C1 充电（C1 贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。
基本数量关系：C的电流在一周期内的平均值应为零，即 U_o = E α / （1 - α）
Sepic电路中，电源电流连续，有利于输入滤波。

6. Zeta斩波电路

① V导通时，电源E 经 开关V 向 电感L1 贮能，同时 E 和 C1（C1电压左负右正，与E相加）共同经 L2 向负载供电，C2 充电，L2 储能。
② V关断时，L1－VD－C1构成回路，L1 向 C1充电， L1 的能量转移至 C1。C2 向负载供电，L2 经 VD 续流，释放能量。
基本数量关系：C的电流在一周期内的平均值应为零，即 U_o = E α / （1 - α）
Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续。

扩展 电赛 双向DC-DC电路

原理不进行分析，该电路从左端看是 BUCK电路，从另一端看是 BOOST电路。所有的参数都是瞎选的，重要的是拓扑。它的拓扑挺有意思的。

谨记：大电流的地方一定要画粗一点。

二.复合斩波电路和多相多重斩波电路

复合斩波电路：降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。
多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合构成

1.电流可逆斩波电路

斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动，降压斩波电路能使电动机工作于第1象限，升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。

V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。同时设置死区时间防止V1和V2同时导通而导致电源短路。
工作原理不细讲，该电路可分为3种工作方式：两种工作情况——只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。第3种工作方式下，当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。

桥式可逆斩波电路：
将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以4象限运行。

① V4导通时，等效为上图电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。
② V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。

2.多相多重斩波电路

是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的.

该电路相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平波电抗器总重量大为减轻。

多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。

三.带隔离的直流直流变流电路

其可分为 正激、反激、半桥、全桥和推挽电路。

同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直— 交—直电路。
采用这种结构较为复杂的电路来完成直流—直流的变换有以下原因：输出端与输入端需要隔离、某些应用中需要相互隔离的多路输出、输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1、交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。

1.正激电路

① 开关S开通后，变压器绕组 W1 两端的电压为上正下负，与其耦合的 W2 绕组两端的电压也是上正下负，因此 VD1 处于通态，VD2 为断态，电感L 的电流逐渐增长。
② S关断后，电感L 通过 VD2 续流，VD1 关断。变压器的励磁电流经N3绕组 和 VD3 流回电源。

变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断，导致变压器的激磁电感饱和。必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。
基本数量关系：
输出滤波电感电流连续时 U_o / U_i = N₂ t_on / N₁T
输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下： U_o = N₂ U_i / N₁

2.反激电路

① 当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式。S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，则称工作于电流断续模式，此时输出电压高于当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于电流连续模式S开通后，VD 处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加。
② S关断后，电感L 通过 VD2 续流，VD1 关断。变压器的励磁电流经N3绕组 和 VD3 流回电源。S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。
基本数量关系：
输出滤波电感电流连续时 U_o / U_i = N₂ t_on / N₁ t_off
输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下： U_o → ∞

3.半桥电路

工作原理：
①S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 Ui / 2 的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压 ud 的平均值，也就改变了输出电压Uo。
②S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。
③S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。

由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。
基本数量关系：
输出滤波电感电流连续时 U_o / U_i = N₂ t_on / N₁ T
输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下： U_o = N₂ U_i / 2N₁

4.全桥电路

全桥电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 U_i 的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。

工作原理：
①当 S1 与 S4 开通后，VD1 和 VD4 处于通态，电感L 的电流逐渐上升。
②当 S2 与 S3 开通后，VD2 和 VD3 处于通态，电感L的电流也上升。
③当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L 的电流逐渐下降，S1 和 S2 断态时承受的峰值电压均为 Ui 。

注：如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。
基本数量关系：
输出滤波电感电流连续时 U_o / U_i = 2N₂ t_on / N₁ T
输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下： U_o = N₂ U_i / N₁

5.推挽电路

推挽电路中两个开关 S1 和 S2 交替导通，在绕组N1 和 N’1 两端分别形成相位相反的交流电压。

工作原理：
①S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2 处于通态，电感L电流也逐渐上升。
②当两个开关都关断时，VD1 和 VD2 都处于通态，各分担一半的电流，S1 和 S2 断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。
③如果 S1 和 S2 同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。

基本数量关系：
输出滤波电感电流连续时 U_o / U_i = 2N₂ t_on / N₁ T
输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下： U_o = N₂ U_i / N₁

总结

总结

小小的总结：

又完成一门，历时近一天吧？忙完手头最要紧的事后果然轻松了不少，经过我的深抠之下，总算是完成了~~电力电子的知识虽然看起来很多，但它分析起来，那可是比自控容易太多了呀！总结起来费了不少劲，不过感觉累并快乐着。目前这一部分是我在本科期间所涉及的，当然我知道内容仍不完善，有一些重要的知识点由于我还没学过，所以并未有所涉及。等我全部复习一轮之后我会回头，重新掌握未知的那部分。
之后我将从电机学、电拖入手，进行总结！整理一些我认为比较重要的科目。感谢大家的支持！

学习附件

链接：https://pan.baidu.com/s/1TbCgggatPoXR-ZE2YEgOKA
提取码：osub