第二节 变流器

变流器用于间接并网发电系统。首先介绍变流器常用的电力电子器件及应用电路。

一、电力电子器件

1．电力电子器件的概念和特征

电力电子器件被广泛地用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换及控制的电子器件。电力电子器件所具有的主要特征为：①电力电子器件处理的电功率大小，是其主要的特征参数，它的处理能力小至几毫瓦，大至几兆瓦，一般远大于处理信息电路信号的电子器件；②由于电力电子器件处理的功率级别大，为减少自身损耗，电力电子器件往往工作在开关状态；③在实际应用中，一般由信息电子来控制电力电子器件，由于电力电子器件所处理的电功率较大，因此需要驱动电路对控制信号进行放大和隔离。

2．电力电子器件的分类

电力电子器件可以按照可控性或驱动信号的类型来分类。

（1）按可控性分类

根据驱动（触发）电路输出的控制信号对器件的控制程度，可将电力电子器件分为不控型、半控型和全控型3种器件。

1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件。如电力二极管（Power Diode），这类器件不需要驱动电路，其特征与信息电子电路中的二极管一样，器件的导通和关断完全由器件所承受的电压极性或电流大小决定。对电力二极管来说，在阳极（A）与阴极（K）之间施加正向电压，使其导通；施加反向电压，使其关断。

2）半控型器件：可以通过门极（控制极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。主要有晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复关断。

3）全控型器件：既可以通过器件的门极（控制极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主流全控型器件主要有功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极关断晶闸管（GTO）和电力场效应晶体管（P-MOSFET，Power MOSFET）等。由于这类器件可以通过门极控制其关断，又称为自关断器件。

（2）按驱动信号类型分类

根据电力电子器件门极（控制极）对驱动信号的不同要求，可将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两种。

1）电流驱动型：通过对门极（控制极）注入或流出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，如晶闸管、GTR、GTO等。

2）电压驱动型：通过对门极（控制极）和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件称为电压驱动型器件，如电力MOSFET、IGBT等。

3．不可控器件——电力二极管

电力二极管不同于普通的二极管，它承受的反向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和伏安（V-A）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断性。电力二极管是最简单、又十分重要的电力电子器件，在各类电源中应用广泛。

电力二极管的电路图形符号和静态特性（即伏安特性）如图3-4所示，当二极管A-K极间承受的正向电压U大于阈值电压U_TO时，二极管导通，正向电流I由外电路决定，与I_F相对应的两端电压U_F称为二极管的正向通态压降。当二极管承受反向电压时，只有少数载流子产生的反向微小电流，其数值基本不随电压而变化。当反向电压超过一定数值（U_RBO）后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿，U_RBO称为反向击穿电压。

4．半控型器件——晶闸管

晶闸管是晶体闸流管的简称，早期又称为可控硅整流器（SCR）。晶闸管可以承受的电压、电流在功率半导体中均为最高，具有价格便宜、工作可靠的优点，尽管其开关频率较低，但在大功率、低频电力电子装置中仍占主导地位。晶闸管有许多派生器件，通常所称的晶闸管是普通型晶闸管，它有3个电极：门极（G）、阳极（A）和阴极（K），晶闸管的电路图形符号及伏安（V-A）特性如图3-5所示。

晶闸管的基本特征：

1）电流触发特性：当晶闸管A-K极间承受正向电压时，如果G-K极间流过正向触发电流I_G，就会使晶闸管导通。

2）单向导电特性：晶闸管与电力二极管一样具有方向阻断特性，当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。

3）半控型特征：晶闸管一旦导通，门极就会失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其A-K极间施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（I_H）。

5．电力场效应晶体管

电力场效应晶体管（Power MOSFET）是近年来发展最快的全控型电力电子器件之一。它的显著特点是用栅极电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单；由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，在中小功率高频电源中应用最广。

电力MOSFET与信息电子技术应用的MOSFET类似，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。在电力MOSFET中，应用最多的是绝缘栅N沟道增强型。图3-6a为N沟道增强型VDMOSFET中一个元胞的内部结构，图3-6b为电力MOSFET的电路图形符号。

对于N沟道增强型VDMOSFET，当漏极（D）接电源正极，源极（S）接电源负极，且栅极（G）与源极（S）间的电压U_GS为零时，由于P体区与N^-漂移区形成的PN结为反向偏置，故漏源之间不导电。如果施加正的U_GS电压，由于栅极（G）是绝缘的，因此几乎没有栅极电流流过。但栅极的正电压会将P体区中的少数载流子——电子吸引到栅极下面的P区表面，当U_GS大于阈值电压U_GT时，栅极下P区的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型反转成N型，形成反型层。该反型层形成N沟道，使PN结消失，漏极和源极之间形成导电通路。栅极电压U_GS越高，反型层越厚，导电沟道越宽，则漏极电流越大。漏极电流I_D不仅受到栅源电压U_GS控制，而且也与漏极电压U_DS密切相关。电力MOSFET的静态特征分为输入转移特性和输出V-A特性两部分：①漏极电流I_D和栅源电压U_GS的关系为I_D=f（U_GS），它反映了输入控制电压与输出电流的关系，称为电力MOSFET的转移特性，如图3-7a所示；②以栅源电压U_GS为参变量，反映漏极电流I_D与漏源极之间电压的关系的曲线称为电力MOSFET的输出特性，如图3-7b所示。

MOSFET是靠多数载流子导电，不存在少数载流子的存储效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10～100ns之间，工作频率高达500kHz以上，是常用电力电子器件中最高的。由于电力MOSFET的结构所致，源漏极间形成一个寄生的反并联二极管（也称为本体二极管），使漏极电压U_DS为负时出现导通状态。它是MOSFET构成中不可分割的整体，这样虽然在很多应用中简化了电路，减少了器件的数量，但由于本体二极管的反向恢复时间较长，在高频应用时必须注意其影响。

6．绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

电力MOSFET具有驱动方便、开关速度快等优点，但导通后呈现电阻性质，在电流较大时管压降较高，而且器件的容量较小，一般仅适用于小功率装置；大功率晶体管（GTR）的饱和压降低、容量大，但属于电流驱动型，需要较大的驱动功率。此外，GTR器件又是双极型器件，导致开关速度慢；而IGBT是MOSFET和GTR的复合器件，因此兼有两者的优点。

IGBT是20世纪80年代出现的一种电压驱动的全控型器件，结构和电路图形符号如图3-8a、b所示。共有3个引出电极，分别是栅极G、集电极C和发射极E。IGBT的静态特性也分为输入转移特性I_C=f（U_GE）和输出V-A特性I_C=两种（见图3-8c、d）。当IGBT栅极G与发射极E之间的外加电压U_GE=0时，集电极电流I_C=0，IGBT处于阻断状态（简称断态）；在栅极G与发射极E之间外加足够大的正向控制电压U_GE（一般为5～15V），IGBT进入导通状态（通态），当U_CE大于一定值（一般为2V左右）时，I_C＞0。这样，改变IGBT栅极G与发射极E之间的外加电压U_GE就可以控制集电极电流I_C。图3-9所示为用于变流器的IGBT模块外形。

二、AC-DC变换电路

将交流电变换成直流电的过程称为AC-DC变换或整流。实现整流的电力半导体器件，连同辅助元器件及控制系统称之为整流器或AC-DC变换器。整流电路通常指实现电能转换的主电路拓扑，它的类型很多，按使用的器件类型可分为不控整流、相控整流和PWM斩波整流3类。

1．二极管整流器——不控整流

由于二极管是不可控器件，因此整流电路的输出电压也是不可控的，其大小取决于输入电压和电路的形式，主要为需求固定直流电压的负载供电。根据负载的不同性质，二极管整流器输出端采用的滤波电路不尽相同。要求电流稳定的负载一般只加电感滤波；要求电压稳定的负载，一般只加电容滤波；既要电压稳定又要电流稳定的负载需要同时用电感、电容组成的LC滤波电路。加电感滤波还可提高输入交流电源的功率因数，减小谐波。图3-10a所示为常用的输出电压型三相桥式二极管整流器。

2．晶闸管整流器——相控整流

由于晶闸管是半控器件，通过控制门极的触发延迟角就能控制晶闸管的导通时刻。达到控制（移相调节）输出直流电压的目的，同时将输入的交流电源整流成可控的直流电源，提供给要求电压连续可变的负载。晶闸管整流器的拓扑与二极管整流器基本类似，只要将二极管整流器件用晶闸管代替，保留原电路二极管续流器件即可。但由于晶闸管的可控性，构成的桥式整流电路又可以分为半控桥和全控桥两类。此外，完整的晶闸管整流器还需要移相触发电路、控制电路、检测和保护电路。相比二极管整流器具有更多的选择性和复杂性。工作于相位控制模式的晶闸管，产生的谐波对电网会造成二次污染，深度调压时其输入功率因数低也是这种电路的主要缺点。图3-10b所示为常用的输出电压型三相桥式全控晶闸管整流器。

3．PWM整流器——斩波整流

随着电力电子设备的大量应用，谐波、低功率因数对公共电网的危害日益加重，为改善电网质量、提高电能利用效率，一种新的脉宽调制（PWM）型高频开关模式整流器（SMR）于20世纪90年代投入实际应用。PWM-SMR具有交流侧功率因数高、谐波分量低的优点。

PWM-SMR一般采用全控型电力电子开关器件（电力MOSFET、IGBT），用高频脉宽调制（PWM）方波驱动其导通或关断，所以从本质上讲属于PWM斩波整流器。PWM整流器的类型繁多，根据电路拓扑结构和外特性，可以分为电压型（升压型或Boost型）和电流型（降压型或Buck型）两类。升压电路的特点是输出的直流电压高于交流输入电源线电压峰值，这是其升压拓扑结构决定的，升压型整流器输出一般呈电压源特性。电流型或降压型整流器输出的直流电压总是低于交流输入电源的峰值电压，这也是由其电路拓扑结构决定的，降压型整流器输出一般成电流源特性。按是否具有能量回馈功能，可将PWM整流器分为无能量回馈的整流器（P FC）和具有能量回馈的开关模式整流器（Reversible SMR）。无论哪一种PWM整流器，都基本上能达到功率因数为1，但不同的结构在谐波含量、控制的复杂性、动态性能、电路体积、质量、成本等方面有较大差别。

能量可回馈型的PWM整流器均采用全控型半导体开关器件，它比P FC电路具有更高的动态响应速度和更好的输入电流波形。另外，它还可以把交流输入电流的功率因数控制为0～1之间的任意值，实现交流-直流侧的双向能量流动。在实际应用中，特别是中小功率领域，将二极管与自关断器件反并联，可组成一个双向导电的开关器件，在直流侧并联一个大电容构成电压型的PWM整流器，是能量可双向流动的高频PWM整流器的主流。图3-11所示是三相电压型PWM整流器。

三、DC-DC变换电路

直流-直流变换器的功能是将一种直流电变换成另外一种固定或可调电压的直流电，又称为直流斩波器。按输入输出间是否有电气隔离可分为不隔离式和隔离式直流变换器2种。不隔离式直流变换器按开关器件个数又可分为单管、双管和四管3类。常用的单开关器件直流变换器主要有6种：降压型变换器、升压型变换器、降-升压型变换器和3种升-降/降-升压型变换器。有隔离的变换器利用隔离变压器可以实现输入与输出间的电气隔离，采用变压器实现变压和隔离，有利于扩大变换器的电压应用范围，还可以实现多路输出。

图3-12a所示为单管不隔离式Busk变换器，Busk变换器是一种降压型DC-DC变换电路，输出电压小于或等于输入电压，输入电流断续。输出电压U_o=D_YU_i，V的占空比D_Y=T_on/T_s=0～1。

图3-12b所示为单管不隔离式Boost变换器，Boost变换器是一种升压型DC-DC变换电路，输出电压大于输入电压，V的占空比D_Y必须小于1，输入电流连续。输出电压U_o=U_i/（1-D_Y）。

四、DC-AC变换电路

将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DC-AC变换，实现逆变的主电路称为DC-AC变换电路。通常将DC-AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC-AC逆变电源称为逆变器。

DC-AC变换电路根据电路拓扑结构和外特性，可以分为电压型和电流型两类。

电压型逆变器的直流输入端并接有大电容储能元件，逆变桥输出到负载两端的电压为方波，其幅值为电容电压。逆变桥的输出电流的大小和相位由负载决定，电流波形取决于负载的性质，电阻性负载的电流波形和电压波形一样是方波，电阻电感性负载的电流波形根据其阻抗角的大小在方波和三角波之间，纯电感负载的电流波形是三角波，且功率因数为零。对于电阻电感性负载，为了提高逆变器输出的功率因数，可外加补偿电容，形成RLC谐振负载，当逆变器的开关频率和谐振负载频率一致时，谐振负载等效为电阻R，而负载R上的电流和电压都是正弦波，相位差为零，这时开关器件工作在零电流关断（ZCS）的软开关状态，逆变器输出的有功功率最大。RLC谐振负载有串联型和并联型，将R-L-C串联可组成串联谐振逆变器，串联谐振逆变器采用电压型逆变器，由恒压源供电。

电流型逆变器直流输入串接大电感储能元件，逆变器由电感稳流提供恒电流，逆变桥输出到负载的电流为方波，其幅值为电感电流。逆变桥输出的电压值由负载决定，电压波形取决于负载的性质，电阻性负载的电压波形和电流波形一样是方波，电阻电感性负载的电压波形根据其阻抗角的大小在方波和三角波之间，纯电感负载的电压波形是三角波，且功率因数为零。对于电阻电感性负载，为了提高逆变器输出的功率因数，可外加补偿电容，组成RLC并联谐振负载，这时开关器件工作在零电压导通（ZVS）的软开关状态，当逆变器的开关频率和谐振负载频率一致时，谐振负载等效为电阻R₀=L/RC，这时逆变器输出的有功功率最大。并联谐振逆变器采用电流型逆变器，由恒流源供电。

在三相逆变电路中，应用最广泛的是电压型三相桥式逆变器，如图3-13所示，常用180°换流导电型。6个开关管的换相顺序为V₁→V₂→V₃→V₄→V₅→V₆，每个开关管的导通角度为180°。为防止同一桥臂上下两个开关管同时导通造成的电源短路（又称直通），同桥臂上的两个开关管要先关后开，并留有安全裕量，称为死区时间。死区时间的长短根据开关器件的速度决定。三相桥式逆变器常用脉宽调制（PWM）和移相调功控制方式。在图3-13中，直流母线采用电容C_dc滤波，负载线电压幅值为U_dc，开关管V₁～V₆上承受的最大电压为U_dc。

五、正弦波脉宽调制技术

正弦波脉宽调制（SPWM）基本思想是用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，在脉冲频率很高时，对于惯性环节，脉宽调制脉冲与正弦半波输出响应等效。

脉宽调制（PWM）策略既可用于逆变器，也可用于整流器，这里以逆变器（见图3-13）为例加以说明。

图3-14所示为两电平逆变器的正弦波脉宽调制工作原理，其中u_ma、u_mb和u_mc是三相正弦调制波信号，u_cr是三角载波信号。逆变器输出电压的基波分量可通过幅值调制因数进行调节。定义幅值调制因数

式中——调制波峰值；

——载波峰值。

通常通过固定而控制来调节幅值调制因数m_a。定义频率调制因数为

式中 f_m——调制波频率；

f_cr——载波频率。

通过比较调制波和载波，可以得到开关器件V₁～V₆的工作方式。当u_ma＞u_cr时，逆变器a相上桥臂V₁导通，下桥臂V₄以互补的方式动作，因此被关断。从而使得逆变器输出端电压u_aN，即a相输出端相对直流母线负端N之间的电压，等于直流母线电压U_dc。同理，当u_ma＜u_cr时，V₄导通，而V₁关断，使得u_aN=0。因为u_aN的波形只有两个电平，既U_dc和0，这种逆变器也常称作两电平逆变器。