电力电子技术实现电能变换与控制的原理

为了能让大家更清楚直观地理解，文中将对电力变换类型及常用电力变换电路的工作原理进行分析介绍。

通常所用的电力有交流（AC）和直流（DC）两种，交流电主要从公用电网中获得，直流电主要从蓄电池或干电池中获得。

根据电源与负载的电力类型，电力变换分为交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）以及交流变交流（AC-AC）四类。那么，它们之间到底是如何变换的呢？

一、直流-直流变换

直流-直流变换电路的功能是将一种直流电变为另一种直流电。根据电路结构不同，直流-直流变换电路分为非隔离型 DC-DC 电路以及隔离型 DC-DC 电路。

非隔离型 DC-DC 电路主要实现直流的直接变换，又分为升压（Buck）、降压（Boost）以及升降压（Buck-Boost）电路，其电路结构如图所示。其中降压/升压电路（Buck/Boost）应用最为广泛。

以 Boost 电路为例，对非隔离型 DC-DC 电路的工作原理进行分析：

首先假设电路中电容值与电感值很大。当可控开关 V 处于通态时，电源 E 向电感 L 充电，同时电容 C 向负载 R 供电，由于电容值很大，所以输出电压 uo 基本保持为恒定值；当 V 处于断态时，电源 E 和电感 L 共同向电容 C 充电并向负载 R 供电。

Boost 电路的输出波形如图所示：

隔离型 DC-DC 电路主要实现直-交-直变换，电路中包含交流环节且多采用变压器进行输入输出隔离。电路中推挽、反激、移相全桥拓扑、LC 拓扑以及 LLC 拓扑被广泛应用于各类工业电源中。

各类隔离型 DC-DC 变换电路的优缺点、功率范围以及应用领域如表所示。

二、交流-直流变换

交流-直流变换又称为整流。整流电路按输入交流的相数可分为单相整流与多相整流；按照构成器件可分为全控整流、半控整流以及不控整流；按电路结构可分为桥式整流与零式整流。常用的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路以及倍压整流电路。

其基本的电路结构如图所示：

以单相桥式不控整流电路为例对整流电路的工作原理进行分析：

单相桥式不控整流电路由四个整流器件构成，其中 VD1 与 VD4 构成一组桥臂，VD2 与 VD3 构成另一组桥臂。

0-t1：输入电压正半周，VD1、VD4 串联承受正向电压导通，电流经 VD1- R-VD4 流动，输出电压按照正弦规律变化；

t1-t2：输入电压负半周，VD2、VD3 串联承受正向电压导通，电流经 VD3- R-VD2 流动，输出电压按照正弦规律变化；

单相桥式不控整流电路的输出电压波形如图所示：

可控整流采用的功率器件均为可控器件，如晶闸管、IGBT 等。可控整流电路可以通过开关器件的导通、关断来调节整流输出电压大小。常用的可控整流电路有三相桥式 PWM 整流电路与 Boost-PFC 整流电路，其电路结构见下图。

整流电路是电力电子电路中出现和应用最早的形式之一，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机、电镀电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。

电力电子技术早期为整流器时代，后期则进入逆变器时代，下面让我们一起来了解逆变变换。

三、直流-交流变换

与整流相对应，直流-交流变换又称为逆变。当交流侧接有电源时（接入电网）为有源逆变，交流侧直接连接负载时为无源逆变。实际应用中，常用的逆变电路为全桥逆变电路，电压型全桥逆变电路的结构如图所示。

以单相电压型全桥逆变电路为例对逆变电路的工作原理进行分析：

电路中两个桥臂为方向臂，另两个桥臂为斩波臂，这里 V1、V2 为方向臂，V3、V4 为斩波臂。当调制信号 ur>0，V1 导通而 V2 关断，输出平均电压大于零；当调制信号 ur<0，V1 关断而 V2 导通，输出平均电压小于零；当 ur>uc 时，V4 导通而 V3 关断。