虽然之前已经多次使用了电力电子变换器这个词,但还没有对其进行过系统的定义。一般可以认为电力电子变换器的本质是实现电力特征由一种电力形式到另一种电力形式的变换。电力电子变换器都可以分解成一个或者几个部分,每一部分完成输入侧的电力特征到输出侧的另一种电力特征的转换。电力特征可以包括电压或者电流的波形、幅值、相位、频率、相数以及周期性等方面。另外,电力电子变换除了遵守能量守恒之外,一般还需要电容、电感等无源器件的参与,才能从完整意义上称之为电力电子变换器。
从本质上讲,电力变换的形式是多种多样的,并不局限于变换器变换的形式。一般从形式上可以分为两种:一种是间接变换,比如利用电能-机械能转换的电动机-发电机机组等,其共性为电力变换要经过至少一次非电能的形式;另外一种是直接变换,比如利用电力半导体器件的逆变器,其共性为变换过程中不需要经过非电能形式的转换。电力电子变换器中绝大部分是直接变换,在一些需要有输入/输出隔离要求的变换器中,使用了高频变压器作为变换器的一部分,如隔离的单端反激式DC/DC电源,则经过了一次电能/磁能/电能的变换,准确来说是一种间接式的变换器。在后面的分析中,并没有严格去区分两者,而是以直接式的变换器作为分析对象。
电力电子变换器发展到今天,可以认为主要有四个基本模式,即AC/DC整流器、DC/AC逆变器、DC/DC直流变换器和AC/AC变换器,其中AC/AC变换器包括传统的基于晶闸管的周波交交变换器和基于全控半导体器件的矩阵式变换器。电力半导体器件在不同变换器中的应用和行为有较大的差别,其主要来源于变换器中主要要素之间的相互影响。(www.daowen.com)
人们常把器件、拓扑结构和控制称为电力电子变换器的三个要素。器件指的是电力半导体器件以及其他电路元件,比如电感、电容、电阻等;变换器拓扑结构通常指的是变换器中各器件之间的连接关系,有的也称作为电路结构;控制则是指为使变换器达到某个目标对变换器中的电力半导体器件发出的控制信号。这种器件、拓扑和控制三要素的划分方法,对变换器的初步理解有一定的帮助,但是也存在其局限性。尤其是对变换器进行深入研究,比如研究变换器中的电力半导体器件特性,其局限性表现的更明显,比较突出的是容易忽略变换器中一些比较重要的因素对暂态过程的影响。
在这里使用了“换流”来分析变换器的行为。换流,顾名思义可以理解为:随着变换器控制或者外围条件的改变,电流在变换器中各支路之间发生改变的过程。理解和分析变换器的换流行为,可以采用理想化的方式,即使用理想化的器件、拓扑和控制来分析。也可以使用非理想化的方式,除了考虑非理想的器件、拓扑和控制外,还要考虑温度、杂散参数、机械结构、耦合回路等各因素的影响。无论采用什么方式,电力半导体器件的行为都与变换器的拓扑、控制和其他器件密切相关,它们共同作用完成了变换器的换流行为。
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