电力电子变换器基础与设计

第1章 绪论 　　1.1 电力电子技术的背景知识 　　电力电子技术使用功率半导体器件进行功率变换，上至产业设备和电力系统等，下至智能手机、笔记本电脑等随处可见的移动式机器，各种用电领域都会应用到这种技术，用途广泛，近年来重要性尤为显著。 　　以太阳能发电为代表的再生能源的大量使用、锂离子电池的诞生、设备的电动化等推动了电力电子技术的发展。太阳能电池板的低成本化和固定价格收购制度使得太阳能发电迅速普及，功率变换器中的功率调节器成为许多家庭和商业设施的**品。锂离子电池的诞生使移动设备的驱动时间得到飞跃性的改善，如今很多人都会随身携带数台移动设备。移动设备必不可少的充电器和适配器都是功率变换器，与以往的产品相比，它们的重量已得到大幅度降低。随着汽车的电动化和锂离子电池性能的提升，电动汽车的续航里程有了飞跃性的提高。不仅发达国家，发展中国家的电动汽车销量也在节节攀升，传统汽车正以迅雷不及掩耳之势转型为电动汽车。当前，许多企业正为电动汽车的开发和性能的提升展开激烈的角逐。大众车型约搭载50个电动机，高级车型上搭载的电动机则过百，而驱动它们的都是功率变换器。以电池为能源的电动汽车需要功率变换器驱动各种车载设备，可以说，电动汽车是各种电力电子技术的结合体。 　　提升效率和小型化是各个工学领域的普遍课题。在上述背景下，人们对电力电子领域的高效化和小型化要求也越来越高。多数产品的功率转换效率已达到90%～95%，某些产品官方公布的功率转换效率甚至超过98%。换言之，效率的提升空间仅剩几个百分点，即使今后出现翻天覆地的技术革新，也无法大幅度提高效率。与此相比，功率变换器的小型化还有充足的发展空间，功率半导体器件和无源元件的性能提升、新型电路形式，以及控制技术的开发正日新月异地推动着功率变换电路的小型化。今后，如何在不降低功率转换效率的同时实现小型化将成为关键。 　　1.2 直流功率变换器的小型化研究 　　斩波电路和DC-DC变换器等直流功率变换器主电路中*占体积和重量的是电感和变压器等磁性元件，实现整体电路小型化的关键就在于如何将这些元件小型化（图1.1）。电容器的体积也比较大，同样需要进行小型化研究。MOSFET（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）和IGBT（insulated gate bipolar transistor）等功率半导体开关本身体积很小，但是散热器等则有大型化的趋势。随着功率转换效率的降低，即损耗的增加，散热装置的体积越来越大，因此必须在保持功率转换效率不变的同时减小磁性元件和电容器的体积。 　　图1.1 直流功率变换器主电路中的主要元件 　　我们可以以传水桶为例，也就是说将水桶作为运水的容器，运输的水量取决于容器的体积（准确地说是容积）和运输的频繁程度（频率）的乘积。假如水的运输量不变，要想将容器的体积减小到一半，只需把运水的频率提高到两倍。只要提高运输的频率，甚至可以用小杯子代替水桶来运输同样的水量。 　　如图1.2所示，将电路的小型化研究想象成传水桶就直观多了。功率变换器中的磁性元件和电容器等无源元件都是能量储存元件，也就是用于储存电能的容器。功率变换器的每个开关周期中，能量储存元件都会从输入端子向输出端子传输电能。与传水桶相同，只要提高频繁程度就可以减小容器的体积（即无源元件小型化）。在电路中，这意味着提高开关频率。提高功率变换器工作时的开关频率，就可以在实现磁性元件和电容器等能量储存元件小型化的同时传输等量电能。 　　如果传水桶的速度过快，就会洒出一部分水。想要避免洒水，只能缓慢平稳地运输。这一点对于功率变换器的开关工作来说也是一样的。开关时，开关电压和电流会发生剧烈变化，同时会产生功率损耗（开关损耗），所以不假思索地提高开关频率就会造成巨大的开关损耗。因此在开关时要设法缓慢平稳地改变电流或电压（采用软开关），以降低开关损耗。 　　图1.2 水桶传水和功率变换器传输电能 　　此外，不同种类的能量储存元件的能量密度也大不相同。也就是说，即便体积相同，不同元件的能量储存能力也不同。因此可以采用高能量密度的元件来实现电路小型化。而水是非压缩性流体，在传水桶中无法采取这种办法。 　　综上所述，本书着重讲解功率变换器的小型化研究，通过采用高频化、高能量密度的无源元件实现小型化。 　　1.3 本书的结构 　　本书主要介绍直流功率变换器，交流功率变换器的相关内容请参考其他优秀书籍。本书从变换器的基础知识开始讲解，第2章是非隔离型DC-DC变换器（斩波电路）；第3章是隔离型变换器的基础知识；第4章介绍变换器的各种损耗，讲解在变换器的性能指标中与体积并重的效率概念；为了实现变换器的小型化，第5章在高频化和采取高能量密度无源元件的基础上介绍其他关键内容；第6章介绍采用软开关工作的谐振变换器的基础知识；第7～9章在与磁性元件的比较中，通过使用电容器这种高能量密度无源元件来讲解实现变换器小型化的各种电路形式的基础知识。 　　第2章 非隔离型DC-DC变换器 　　2.1 斩波电路 　　2.1 斩波电路 　　2.1.1 电路结构 　　非隔离型DC-DC变换器也被称为斩波电路，是功率变换电路中*基本的一种电路。应用*普遍的斩波电路有降压斩波、升压斩波和升降压斩波三种，图2.1～图2.3分别是这三种电路的结构图。假设开关是MOSFET，Db是MOSFET的漏极和源极之间形成的体二极管。除了输入滤波电容器Cin和输出滤波电容器Cout之外，还有开关Q、续流二极管D和电感L三个元件组成的“单元”［1］。无论哪种斩波电路，都要用任意开关频率fs驱动开关Q，同时通过操控占空比d（时比率）来调节输入电压Vin和输出电压Vout的比。 　　图2.1 降压斩波 　　图2.2 升压斩波 　　图2.3 升降压斩波 　　2.1.2 各种电路的关系 　　三种斩波电路的不同在于元件以何种方式连接输入输出端口，连接方法不同，降压、升压和升降压的工作情况也不同。为了便于理解，我们设开关Q的漏极或体二极管Db的阴极连接点为节点A，续流二极管D的阳极连接点为节点B，电感L的连接点为节点C。 　　图2.1的降压斩波中，节点A连接输入电源，节点B接地，节点C连接输出（负载）。另一方面，图2.2的升压斩波中，对照降压斩波，节点A和C交换了位置。升压斩波的节点B连接开关，但一般情况下开关和二极管都属于开关设备，可以根据电流的方向将开关替换为二极管。也就是说，降压斩波中的续流二极管D可以替换为升压斩波中的开关Q。同样，降压斩波的节点A上的开关Q可以替换为升压斩波的节点A上的续流二极管D。根据上述分析，我们发现降压斩波和升压斩波可以看作单元左右对称翻转的两种电路。同样，图2.3的升降压斩波也可以看作图2.1的降压斩波中的单元逆时针旋转90°得来的。 　　2.1.3 降压斩波的简单工作解析 　　1. 工作模式 　　以降压斩波为例，工作波形和工作模式分别如图2.4和2.5所示。 　　图2.4 降压斩波的工作波形