变流技术教学课件

电力变流技术教学欢迎学习电力电子变流技术基础与应用课程！本课件基于清华大学出版社最新教材，为年最新教学内容电力变流技术是现代电力系统和工业控制2025的核心技术，通过本课程，您将系统学习变流器的工作原理、电路拓扑以及控制方法本课程将从基础电力电子器件入手，逐步深入到各类变流电路的分析与设计，最后探讨实际应用案例与未来发展趋势无论您是初学者还是希望提升专业技能的工程师，这套教材都将成为您宝贵的学习资源课程概述电力变流基本概念与应用领域介绍电力变流的基础理论、分类方法以及在现代工业和生活中的广泛应用，建立电力电子技术的系统性认识电力电子器件基础详细讲解各类电力电子开关器件的工作原理、特性参数及选型方法，为理解变流电路奠定基础四大类变流电路详解系统分析整流电路、直流斩波电路、逆变电路和交流电力控制电路的工作原理和设计方法控制技术与实际应用案例介绍控制、软开关技术等先进控制方法，并结合电机驱动、新能PWM源发电等实际应用进行分析第一章绪论1电力变流技术的定义与发展历程电力变流技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，从世纪20年代晶闸管的出现到今天的宽禁带半导体，经历了快速发展502变流技术在现代工业中的应用电力变流技术已广泛应用于工业自动化、新能源发电、智能电网、电动交通和家用电器等领域，成为现代工业的基础技术之一3电力电子学科的形成与发展电力电子学科是电力工程与电子技术的交叉学科，随着功率半导体器件和控制理论的发展，已形成完整的理论体系和应用领域4课程学习目标与方法本课程旨在培养学生理解电力变流基本原理、掌握电路分析方法、具备系统设计能力的综合素质，建议结合理论学习与实验实践变流技术分类交流直流变换（，整流）-AC-DC将交流电能转换为直流电能的过程，是最基础的变流形式包括不可控整流、半控整流和全控整流等多种类型，广泛应用于直流电源和驱动系统中直流直流变换（，斩波）-DC-DC在不同电压、电流水平的直流电之间进行转换，实现直流电压升降和电流调节主要类型有、和等电路，在电源管理中应用广泛Buck Boost Buck-Boost直流交流变换（，逆变）-DC-AC将直流电能转换为频率、幅值可调的交流电能包括电压型和电流型逆变器，应用于变频驱动、不间断电源和新能源并网等领域交流交流变换（，调压变频）-AC-AC/在交流电之间直接进行变换，调节交流电的幅值或频率包括交流调压器和交交变频器-等，在电机软启动和电网控制中有重要应用变流技术应用领域新能源发电与并网技术工业驱动与自动化控制系统变流器在光伏发电、风力发电等新能源系统中起到能量转换和电网接口的关键作用，变流器是实现电机变速控制的核心，在工保证发电系统与电网的安全稳定运行业自动化生产线、数控机床、电梯和传送带等设备中广泛应用，提高生产效率和控制精度智能电网与配电系统变流器可实现电网电压稳定、无功补偿和谐波抑制等功能，提高电网质量和可靠性，是智能电网建设的重要技术支撑家用电器与消费电子变流技术在空调、冰箱、洗衣机等家电和电动汽车与充电基础设施各类电源适配器中的应用，实现高效节能变流器是电动汽车驱动系统和充电设备的和精确控制，提升用户体验核心，实现电能与机械能的高效转换，以及电池与电网之间的能量交换第二章电力电子器件晶闸管电力晶体管可关断晶闸管最早应用的功率半导体器件，只能包括和管，可控如和，克服了普通晶闸BJT DarlingtonGTO IGCT控制导通不能控制关断，主要用于制导通和关断，开关速度较快，主管不可关断的缺点，兼具晶闸管大相控整流和交流调压电路，具有大要应用于中小功率场合，但目前已电流容量和全控型器件的优点，在功率容量和较高可靠性逐渐被新型器件取代高压大功率场合有广泛应用绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管结合了和的优点，具有高输入阻抗、快速开开关速度快、驱动功率小，但导通电阻较大，主要应用于MOSFET BJT关特性和低导通压降，已成为现代变流器的主流开关器件高频低压场合，如开关电源和小功率驱动器晶闸管基础工作原理特性与应用晶闸管是一种四层结构的半导体器件，具有三个电极阳晶闸管具有高耐压、大电流容量和强过载能力的特点，但开关频PNPN极、阴极和门极当门极接收到正向触发信号且阳极阴极间有率较低，通常在几百赫兹至范围内其典型应用包括-1kHz正向电压时，器件导通；只有当阳极电流降至维持电流以下时，交流电机软启动器•器件才能关断相控整流电路•晶闸管工作在开关状态，导通时呈低阻态，关断时呈高阻态，这交流调压器•种特性使其成为理想的电力开关元件静态无功补偿装置•高压直流输电系统•电力晶体管快速开关特性相比晶闸管具有更高的开关频率全控型器件可控制开通和关断过程中等功率容量适用于数百伏、数十安培应用电力晶体管分为双极型和场效应型两大类是电流控制型器件，具有较低的导通压降，但驱动电路复杂；BJT MOSFET BJT MOSFET是电压控制型器件，驱动简单但导通损耗较大在设计电力晶体管应用电路时，需考虑以下关键因素合理的驱动电路设计、有效的散热系统、完善的保护措施以及考虑开关过程中的电磁干扰问题随着的发展，传统电力已逐渐被市场淘汰IGBT BJT可关断晶闸管多细胞结构设计优化电流分布和关断能力大电流关断能力通过门极大电流脉冲实现强制关断高压大功率容量单器件可达规格6500V/4000A可关断晶闸管克服了普通晶闸管不可关断的缺点，通过门极大电流脉冲可以强制关断主电流，实现全控型器件的功能的开关GTO GTO频率一般在几百赫兹至之间，主要应用于高压大功率场合2kHz集成门极换流晶闸管是的改进型，集成了驱动电路，具有更低的开关损耗和更高的能力在高压变频器、静止无功IGCT GTOdi/dt IGCT补偿器和中压驱动系统中有广泛应用SVG绝缘栅双极晶体管IGBT1200V耐压等级常用模块的最大耐压值IGBT600A电流容量单模块的典型电流规格20kHz开关频率典型应用中的最高工作频率

1.5V导通压降满载时的典型饱和压降绝缘栅双极晶体管结合了的高输入阻抗和的低导通压降特性，是当前中高压大功率变流器的主流开关器件根据结构可分为IGBTMOSFETBJT打孔型和非打孔型两种，新一代还发展出场截止型和沟槽栅等先进技术PTNPTIGBT FSTrench-gate驱动电路设计相对简单，但需注意栅极过电压保护、隔离技术和关断过程中的尾电流控制模块通常集成了反并联二极管，可实现四象IGBT IGBT限运行，已广泛应用于变频器、、电动汽车和新能源变流器等领域UPS电力场效应晶体管超高开关速度的开关速度可达数百至级别，使其成为高频应用的理想选择，尤其适MOSFET kHzMHz合开关电源和谐振变换器电压驱动特性栅极为绝缘结构，输入阻抗极高，驱动功率极低，简化了驱动电路设计，提高了系统可靠性正温度系数导通电阻随温度升高而增大的特性使其并联运行时自动均流，无需额外均流措施，简化了大功率系统设计电力主要包括垂直双扩散和沟槽型MOSFET MOSFETVDMOSMOSFETTrench MOSFET两种结构其导通电阻与耐压成平方关系，因此在高压应用中导通损耗显著增加，限制了其在高压场合的应用与相比，在低压高频应用中具有明显优势，而在中高压大功率场合更具竞争IGBT MOSFETIGBT力近年来，碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体的发展，大幅提高了SiC GaNMOSFET的耐压能力和开关性能，拓展了其应用范围MOSFET器件串并联技术串联均压技术并联均流技术模块化设计通过均压电阻、电容和钳位电路实现静态采用对称布局、栅极阻抗匹配和热设计优现代功率模块内部已集成多芯片并联结构，和动态均压，保证每个器件的电压应力均化等措施实现电流均分凭借其优化了内部连接和散热路径，提高了功率MOSFET匀关键技术包括栅极同步驱动、寄生参导通电阻的正温度系数特性，具有天然的密度和可靠性模块化设计简化了系统集数匹配和过电压保护电路设计均流能力；而则需要更严格的参数匹成，成为大功率变流器的主流方案IGBT配和驱动电路设计器件保护技术过流保护包括过流检测电路和快速关断技术，常用方法有电流传感、反饱和检测和集成电流镜检测等在故障情况下，需在微秒级时间内安全关断器件，避免热击穿损坏过压保护通过钳位电路、缓冲电路和吸收电路限制开关过程中的电压尖峰合理的电路布局和低感设计也是减小开关过电压的重要措施过温保护使用温度传感器监测器件温度，实现温度报警和过温关断功能良好的散热系统设计是防止器件过热的基础，包括散热器选型、风冷水冷设计和热阻优化等驱动保护确保栅极电压在安全范围内，防止欠驱动和过驱动对于多器件系统，还需考虑驱动信号的同步性和抗干扰能力，避免误触发和局部过应力第三章整流电路不可控整流电路使用二极管作为开关器件，输出电压不可调节，结构简单可靠，常用于固定直流电源和前端整流电路主要包括单相半波、全波和桥式整流，以及三相桥式整流等拓扑结构半控整流电路部分开关器件采用晶闸管，部分采用二极管，输出电压可在一定范围内调节典型应用包括小功率直流电机调速和电池充电器等控制方式相对简单，但存在功率因数低和谐波污染大的问题全控整流电路所有开关器件均采用可控型器件（如晶闸管），输出电压调节范围广，可实现能量双向流动广泛应用于大功率直流传动、电解电镀和高压直流输电等领域有源整流技术采用全控型器件（如）和控制策略，能够实现高功率因数、低谐IGBT PWM波电流和双向能量流动控制是现代变频器和不间断电源的主流技术，也是智能电网和新能源并网的关键技术单相整流电路三相整流电路三相桥式整流器触发角控制特性三相桥式整流器由个二极管或晶闸管组成，分为上、下两组，在全控桥式整流器中，通过改变晶闸管的触发角可控制输出电6α每组个器件分别连接三相电源的三个相位输出电压为三相电压3源线电压的最大值包络，纹波频率为输入频率的倍，因此滤波6整流区（°°）输出电压为正，能量从交流侧传•0≤α90要求大大降低输到直流侧不可控三相桥输出电压固定，约为线电压有效值的倍•

1.35逆变区（°°）输出电压为负，能量从直流侧•90α≤180全控三相桥通过调节触发角可控制输出电压回馈到交流侧•α典型应用大功率驱动系统、电解工业和高压直流输电触发角与输出电压关系••Ud=Ud0·cosα延迟触发导致功率因数下降•PF=cosα有源整流技术正弦电流控制单位功率因数通过技术实现输入电流波形接近正弦电网电流与电压同相位，最大化有功功率传PWM波输直流电压稳定4能量双向流动输出电压恒定且可调，负载扰动抑制能力强支持整流和逆变运行模式切换有源整流技术采用全控型器件（如）和先进控制策略，克服了传统整流器的功率因数低、谐波大和单向能量流动等缺点其核心是电压定向控IGBT制和直接功率控制等矢量控制方法，通过解耦控制实现电网电流和直流电压的独立调节VOC DPC整流器已成为现代变频器的主流拓扑，特别是在需要能量回馈的场合，如电梯、起重机和电动汽车充电桩等此外，随着智能电网和分布式发PWM电的发展，双向整流器也在电网侧变流器和储能系统中得到广泛应用PWM整流电路应用电机驱动电源与应急电源高压直流输电UPS在变频调速系统中，整流器将交流电网电不间断电源系统中，整流器为电池充电并系统中，整流站将交流电能转换为HVDC压转换为直流母线电压，为逆变器提供稳提供逆变器所需的直流电源在线式高压直流进行远距离输电传统采UPS HVDC定的直流电源大功率驱动系统常采用采用双向整流技术，实现高功率因数用晶闸管技术，新型则12PWM LCCVSC-HVDC脉冲或多脉冲整流技术，减小谐波影响和低谐波电流，提高系统效率和可靠性采用和控制，具有更好的电网IGBT PWM支撑能力第四章直流斩波电路直流斩波电路是实现变换的关键电路，根据输出与输入电压的关系可分为降压型、升压型和升降压型三大类斩波电路通过控制开关器件的导通时间与周期DC-DC的比值（占空比）来调节输出电压，是开关电源和电池管理系统的核心电路D不同拓扑结构的斩波电路具有不同的特点和应用场合变换器输出电压低于输入电压；变换器输出电压高于输入电压；和变换器可实现Buck Boost Buck-BoostĆuk升压或降压功能；正激和反激变换器通过变压器提供电气隔离，适用于安全要求高的场合变换器Buck拓扑结构由开关管、二极管、电感和电容组成S DL C工作原理通过控制开关管导通时间调节输出电压PWM输出特性输出电压与输入电压关系×Vo=D Vi典型应用供电、驱动和电池充电器CPU LED变换器是最基本的降压型变换器，其工作过程可分为两个阶段开关管导通时，电源通Buck DC-DC过开关和电感向负载和电容供电，电感储能；开关管关断时，电感释放能量，通过二极管向负载供电根据电感电流是否连续，可分为连续导通模式和不连续导通模式CCM DCM变换器的关键设计考量包括电感值选择（影响电流纹波）、输出电容选择（影响电压纹波）、Buck开关频率确定（影响体积和效率）以及控制环路设计（影响动态响应）同步整流通过替换二Buck极管为，可显著提高效率，已成为低压大电流应用的主流方案MOSFET变换器BoostVi输入电压较低的直流电压源Vi/1-D输出电压为开关占空比，理论上可无限升压DIi/1-D输出电流输出电流小于输入电流75%-95%转换效率实际应用中的典型效率范围变换器是经典的升压型变换器，工作原理为开关管导通时，电源向电感充电，电感储能，输出电容向负载供电；开关管关断时，电感释放能Boost DC-DC量，与电源一起通过二极管向输出电容和负载供电，此时输出电压为电源电压与电感反电动势之和，因此高于输入电压变换器的关键设计挑战包括开关管关断时的高电压应力、输出二极管的快速恢复特性要求、输入电流的高纹波以及右半平面零点导致的控制困难Boost变换器广泛应用于光伏控制器、功率因数校正电路、驱动器和电动车变换器等场合Boost MPPTLED DC-DC变换器Buck-Boost工作原理应用场景变换器结合了和的特点，可实现输出电变换器适用于输入电压范围宽或输入电压与所需输Buck-Boost Buck BoostBuck-Boost压高于或低于输入电压的功能其工作过程为开关管导通时，出电压部分重叠的场合，如电源为电感充电，负载由输出电容供电；开关管关断时，电感通电池供电系统（电池电压随放电降低）•过二极管向输出电容和负载放电汽车电子（发动机启动时电压波动大）•与和不同的是，的输出电压极性与输入BuckBoostBuck-Boost太阳能系统（光照条件变化导致输入波动）•相反，输出电压与输入电压的关系为×Vo=-D Vi/1-D便携式设备电源管理•当时，时，，实现升压功能D

0.5|Vo|

0.5|Vo|Vi现代应用中，非反相拓扑（如四开关）Buck-BoostBuck-Boost更为常用，可避免输出极性反转的问题四象限斩波电路第二象限第三象限负电压、正电流能量从负载回馈至电负电压、负电流电源向负载供电，如源，如电机发电制动电机反向驱动第一象限第四象限正电压、正电流电源向负载供电，如正电压、负电流能量从负载回馈至电电机正向驱动源，如电机反向发电制动四象限斩波电路能够在电压电流平面的四个象限中工作，实现能量的双向流动控制桥（全桥）是最常用的四象限斩波拓扑，由四个开关器件组成，通过控制对角开关的H通断可实现输出电压的正反向切换四象限斩波器在直流电机正反转调速系统中应用广泛，可实现电机的驱动和制动控制，提高系统的动态响应性能和能量利用效率在电动汽车和电梯等应用中，四象限运行能力使再生制动能量可回馈至电源或储能系统，大幅提高系统效率多重斩波技术交错并联斩波多个相同的斩波单元并联运行，各单元开关信号相位错开这种结构可显著减小输入输出电流纹波，降低滤波器体积，提高系统功率密度同时，多相结构使电流分散到各/个单元，减轻了单个器件的热应力多相斩波技术在交错并联基础上，通过精确控制各相位之间的相位差（通常为°，为相数），实现输入输出电流纹波的部分或完全抵消相结构在高端服务器供电中广360/n n/4-8CPU泛应用，相结构则用于高性能加速器供电12-24AI高功率应用在大功率应用中，多重斩波技术结合模块化设计，可实现系统的可扩展性和维护便利性每个功率模块可独立工作，系统可根据负载需求动态调整工作模块数量，优化轻载效率这种技术在数据中心、电动汽车和可再生能源系统中应用广泛第五章交流电力控制电路直接变换AC-AC无中间环节的交流电能转换DC交流调压电路调节交流电压有效值交流开关技术实现交流电路的快速通断控制交流电力控制电路直接对交流电进行处理，不经过中间直流环节，主要功能包括交流电压调节、交流开关控制和交流频率变换相比AC-变换方式，直接变换具有电路简单、成本低和功率容量大的优点，但控制灵活性较差DC-AC AC-AC交流电力控制主要技术包括相位控制（调节触发角控制输出电压）和零电压开关（在电压过零点附近导通或关断）常用器件有晶闸管、双向晶闸管和交流固态继电器等典型应用包括照明调光、电机软启动、电阻炉温控和感应加热等领域TRIAC单相交流调压电路基本电路结构触发角控制单相交流调压器通常采用两个反并联连接的晶闸管，当负载为感性通过改变晶闸管的触发角来控制输出电压的有效值触发角越大，α负载时，还需并联续流二极管以提供电流路径根据负载连接方式，导通时间越短，输出电压越低对于电阻负载，输出电压有效值与可分为交流电路调压和交直流混合调压输入电压和触发角的关系为Vo=Vi·√1-α/π+sin2α/2π负载适应性实际应用考量交流调压器适用于多种类型负载，但不同负载特性对电路性能影响实际设计中需考虑电网谐波污染、电磁干扰、功率因数下降等问题显著电阻负载最简单；感性负载需考虑续流问题；容性负载会导电压快速变化也可能导致闪变，影响用电质量针对这些问题，可致开通瞬间大电流，需采取限流措施采用滤波器、无功补偿和软启动等改善措施三相交流调压电路星形连接调压三角形连接调压三相四线星形连接调压器使用三个单相调压单元，每相独立控制，三相三线三角形连接调压器需要六个晶闸管，形成三个双向开关结构简单，适用于三相四线制系统每相的输出电压可独立调节，单元这种连接方式不需要中性线，适用于三相三线制系统三便于处理不平衡负载然而，这种连接方式要求中性线承载不平角形连接在相间形成闭环回路，可实现能量在各相间的交换，提衡电流，且各相间相互独立，不能实现相间能量交换高系统效率三角形连接主要应用于星形连接主要应用于三相感应电机软启动器•三相不平衡负载供电•大功率三相电阻炉温控•三相照明控制系统•三相感应加热设备•小功率三相电加热设备•需要高可靠性的工业负载•交流开关技术提高电能质量减少谐波与电磁干扰降低开关损耗2在电压或电流过零点切换延长器件寿命3减轻开关应力与热应力交流开关技术主要包括零电压开关和零电流开关两种方式零电压开关是指在电压接近零时导通或关断开关器件，可显著减少开ZVS ZCS通损耗和电磁干扰；零电流开关是指在电流接近零时导通或关断开关器件，可有效降低关断损耗和应力dv/dt在实际应用中，交流开关常采用双向可控硅、反并联晶闸管或模块等器件实现现代交流固态继电器集成了检测电压过零TRIAC IGBTSSR的电路和驱动电路，可方便地实现零电压开关控制交流软开关技术在电机软启动、照明控制、电加热设备和家用电器等领域有广泛应用，有效提高了系统的电能质量和可靠性第六章交交变频电路-交交变频基本原理矩阵变换器-交交变频技术是改变交流电频率的技术，根据是否经过中间直流环节，矩阵变换器是一种直接交交变频拓扑，通过多个双向开关直接连接输--可分为直接变频和间接变频两大类变频技术是实现交流电机调速和电入相和输出相，无需中间直流环节和大容量电解电容，具有体积小、效网互联的关键技术，也是高效用电的重要手段率高和功率因数可控等优点，但控制复杂且开关应力大交流斩波技术间接变频技术交流斩波是一种简单的交交变换方式，通过控制交流电的通断时间比间接变频是目前最主流的交交变频方式，通过整流滤波逆变三个----例来调节输出电压，多用于单相交流电机调速和照明调光，但无法改变环节实现交流电的频率变换虽然结构较复杂，但控制灵活、性能优良，频率，应用受限已成为变频器的标准结构矩阵变换器矩阵变换器是一种先进的直接交交变频拓扑，由×开关矩阵组成（三相输入到三相输出），每个开关单元需要能够双向导通和阻断实际实现时，每个双向开关-33通常由两个和两个二极管背靠背连接构成矩阵变换器无需大容量的直流环节电容，体积小，可靠性高，且能实现四象限运行和正弦输入电流IGBT矩阵变换器的控制较为复杂，主要采用空间矢量调制或方法关键技术挑战包括安全换流策略（避免输入短路和输出开路）、输入滤波器设计、过压保Venturini护和故障处理由于缺少直流环节储能，矩阵变换器的输出电压幅值受限，最大仅为输入电压的虽然技术优势明显，但受控制复杂性和成本限制，矩阵变换

86.6%器目前主要应用于高端伺服驱动和特种电机系统间接变频技术整流级直流环节逆变级控制系统将交流电转换为直流电滤波稳压并储存能量将直流电转换为可变频率交流电协调各级工作并实现闭环控制间接变频技术是当前工业变频器的主流技术，通过整流直流环节逆变三个环节实现交流电能的频率变换整流级可采用二极管不可控整流、晶闸管相控整--流或全控整流；直流环节包括电感和电容，起滤波和能量缓冲作用；逆变级通常采用和控制，将直流转换为可变频率、可变电压的交流输出IGBT IGBTPWM间接变频器的优点包括控制灵活、输出性能好、抗干扰能力强和适应性广针对不同应用场合，可采用不同的控制策略，如控制、矢量控制或直接转矩控V/f制等现代变频器已高度集成化和智能化，具备网络通信、故障诊断和保护功能，在工业自动化、楼宇设备和新能源系统中有广泛应用直接变频技术直接转矩控制功率因数改善1基于磁链和转矩的闭环控制技术实现输入电流与电压同相位先进控制算法系统效率提升4模型预测控制和自适应控制技术3优化电机运行状态降低损耗直接变频技术包括环路控制和先进算法，不同于传统的载波调制方式，它直接基于系统状态和控制目标进行开关决策直接转矩控制是最典型的应用，DTC它直接控制电机的磁链和转矩，具有动态响应快、无需复杂坐标变换和适应性强等优点近年来，模型预测控制在变频技术中的应用日益广泛利用系统数学模型预测未来状态，通过优化算法选择最佳开关状态，可同时考虑多个控制目MPC MPC标，如转矩控制、功率因数优化和损耗最小化等虽然计算量大，但随着数字控制器性能的提升，已在高性能驱动系统中得到实际应用，成为变频控制技MPC术的重要发展方向第七章逆变电路1逆变技术基础逆变器将直流电转换为交流电，是新能源发电、电机驱动和不间断电源的核心电路根据直流侧特性可分为电压型逆变器和电流型逆变器VSI CSI2电压型逆变器直流侧为电压源特性，通常并联大容量电容具有控制简单、动态响应快等优点，是变频器和的主流拓扑，但需注意防止直流侧短路UPS电流型逆变器直流侧为电流源特性，串联大电感具有自然换流能力和能量回馈特性，在大功率传动中有应用，但体积大且动态响应较慢多电平逆变技术输出电压有多个电平，可改善波形质量，降低开关频率和器件电压应力，适用于中高压大功率应用，但控制复杂且元件数量多单相逆变电路半桥逆变器半桥逆变器由两个开关器件和两个分压电容组成，输出电压为正负结构简单，但输出电压利用率低，且需要确保两个分压电容电压平衡主要用于低功率应用和作Vdc/2为其他拓扑的基本单元全桥逆变器全桥逆变器由四个开关器件组成，输出电压为正负相比半桥，全桥输出电压范围更大，功率容量更高，且可实现单极性和双极性调制，灵活性更强广泛应用于Vdc PWM、光伏逆变器和音频功放等领域UPS滤波技术逆变器输出通常需要滤波电路平滑波形，减少谐波含量滤波器参数设计需平衡谐波抑制效果、动态响应速度和体积成本并网应用还需考虑滤波器与电网阻抗的交互作LC用，防止谐振三相逆变电路多电平逆变技术降低电压应力改善输出波形降低开关频率每个开关器件只承担部分多电平输出使波形更接近在相同波形质量要求下，电压，使高压系统可采用正弦波，显著降低总谐波多电平逆变器可采用更低中低压器件实现例如，失真在相同开关的开关频率，减少开关损THD在三电平逆变器中，每个频率下，电平数越多，输耗这对大功率高压系统器件只承受直流母线电压出波形质量越高，滤波器特别重要，可显著提高系的一半，大大降低了对器可以更小甚至省略统效率和可靠性件耐压的要求多电平逆变技术已发展出多种拓扑结构，各有特点二极管钳位型结构简单，但NPC中点电压平衡困难；飞电容型控制灵活，但需要复杂的电容电压平衡控制；级联FC H桥型模块化程度高，易于扩展，但需多组隔离电源；混合型结合了多种拓扑优CHB点，但控制复杂随着宽禁带半导体器件和数字控制技术的发展，多电平技术已成为中高压大功率变流系统的主流方案，广泛应用于高压变频器、高压直流输电、静止无功补偿器HVDC和大型新能源并网系统等领域STATCOM第八章控制技术PWM基本原理PWM脉宽调制通过调节脉冲宽度控制开关器件的导通时间，实现对输出电压或电流的精确控制的基本参数包括载波频率、调制比和调制波形PWM PWM技术是现代电力电子变流器的核心控制方法PWM载波比较式PWM将调制波与高频三角载波比较产生信号，是最基础的实现方式典型实现有正弦和注入三次谐波等具有实现简单、PWM PWMPWMSPWM PWM性能可靠的特点，广泛应用于各类变流器空间矢量PWM基于空间矢量理论，直接在平面上合成期望电压矢量具有直流电压利用率高、谐波特性好的优点是三相逆变器的优选控制方法，特别适合α-β矢量控制系统选择性谐波消除PWM通过预计算开关角度，有选择地消除特定次谐波适用于开关频率受限的高压大功率场合，可在低开关频率下获得良好的波形质量，但计算复杂且动态响应有限随机技术PWM通过随机化载波频率或脉冲位置，将集中的谐波能量分散到宽频带，降低电磁干扰的峰值在对敏感的应用中有重要价值，但会增加控制复杂EMI度和开关损耗载波比较式PWM空间矢量PWMSVPWM空间矢量基于空间矢量理论，将三相逆变器的八个开关状态映射为平面上的八个电压矢量（六个非零矢量和两个零矢量）通过在一个开关周期PWMSVPWMα-β内合理分配相邻两个非零矢量和零矢量的作用时间，合成任意幅值和角度的参考电压矢量实现过程包括扇区判断、矢量时间计算和开关序列生成三个步SVPWM骤相比，具有以下优势直流电压利用率提高，达到理论最大值；输出谐波特性更好，总谐波失真更低；三相开关器件的利用更均衡；零矢量SPWM SVPWM

15.5%的灵活分配可优化开关损耗已成为三相逆变系统的标准控制方法，特别适合矢量控制驱动系统随着数字控制器性能提升，的计算复杂性已不再SVPWM SVPWM是实际应用的障碍选择性谐波消除基本原理高压变频器应用SHE-PWM选择性谐波消除通过预先计算和优化开关角特别适用于高压大功率变频器，这类系统开关频率PWMSHE-PWM SHE-PWM度，有选择地消除输出电压中的特定次谐波分量与传统载波比通常受限于器件特性和散热条件的主要优势包括SHE-PWM较式不同，采用角度控制而非宽度控制，PWM SHE-PWM在每个基波周期内只有固定次数的开关动作，开关频率远低于载开关损耗极低，每个基波周期仅几次开关•波PWM有效消除特定次谐波，降低滤波器要求•以个开关角度可以控制个谐波分量，通常用于消除低次谐波N N适应多电平拓扑，可获得更高质量的输出波形•（如、、、次），这些谐波对系统影响最大571113SHE-开关角度可预先计算和存储，实时计算负担小•需要求解一组复杂的非线性超越方程，传统方法包括牛顿PWM迭代法和遗传算法等然而，的调制比调节范围有限，动态响应相对较慢，SHE-PWM主要用于速度变化不大的风机、水泵等应用场合现代实现中，通常结合查表技术和在线插值算法，平衡计算复杂度和控制性能第九章软开关技术85%硬开关效率传统硬开关变换器的典型效率95%软开关效率采用软开关技术后的系统效率70%开关损耗降低软开关可显著减少开关损耗50%抑制能力EMI电磁干扰峰值可降低一半硬开关是指开关器件在承受全电压和全电流的情况下进行导通和关断操作，导致较大的开关损耗和电磁干扰随着开关频率提高，硬开关损耗成为系统效率的主要限制因素软开关技术通过改善开关过程中的电压电流条件，显著降低开关损耗和电磁干扰软开关主要分为零电压开关和零电流开关两种形式在开关导通前将其两端电压降至零，消除开通损耗，适合等器件；在开ZVS ZCS ZVS MOSFETZCS关关断前将流过的电流降至零，消除关断损耗，适合等器件软开关通常通过谐振电路实现，根据谐振电路的位置和类型，发展出多种软开关拓扑，如IGBT谐振变换器、准谐振变换器和有源钳位变换器等谐振变换器串联谐振变换器并联谐振变换器谐振电感和谐振电容串联构成谐振回路，适合恒压输出应用在轻载谐振电感和谐振电容并联构成谐振回路，适合恒流输出应用工作在时工作在不连续模式，自然实现；在重载时工作在连续模式，可谐振频率以上时可实现，工作在谐振频率以下时可实现具ZCSZVS ZCS通过控制策略实现具有开关损耗低、效率高的特点，但电流应有电压应力低、适合宽输入范围的特点，但循环电流大导致导通损耗ZVS力大且调压范围有限增加串并联谐振变换器准谐振变换器结合串联和并联谐振的优点，形成三阶或四阶谐振网络通过合理设在传统变换器中加入谐振电容和或谐振电感，形成局部谐振PWM/计谐振参数，可在宽负载范围内保持软开关特性，同时获得较好的调开关器件在每个开关周期内只发生一次谐振，结构相对简单，兼具压特性但电路复杂，分析设计难度大，参数敏感性高变换器和谐振变换器的优点但电压或电流应力增加，且谐振参PWM数设计需考虑负载变化与技术ZVSZCS零电压开关ZVS零电压开关是指在开关器件两端电压降为零（或接近零）的条件下导通的技术典型实现方式是利用谐振回路或寄生电容与电感的相互作用，在开关导通前对电容放电，LC使电压降为零主要消除开通损耗，对等电容性开关器件特别有效ZVS MOSFET零电流开关ZCS零电流开关是指在开关器件电流降为零（或接近零）的条件下关断的技术通常通过谐振使电流自然过零，或通过辅助电路强制电流转移主要消除关断损耗，对LC ZCS等少数载流子器件特别有效，可抑制尾电流引起的关断损耗IGBT辅助电路设计在传统硬开关变换器中实现软开关，通常需要添加辅助电路，如谐振电感、谐振电容、辅助开关和钳位电路等辅助电路设计需平衡软开关收益与额外损耗和成本现代设计中，集成化辅助电路和智能驱动技术使软开关实现更加紧凑和高效第十章组合变流电路系统集成多功能变流器集成多种功能于一体级联结构2多个变流单元级联形成高性能系统混合拓扑结合不同变流器的优点创新电路结构模块化设计4标准化功率模块提高系统可靠性和可维护性组合变流电路将多种基本变流单元有机结合，形成具有特定功能和性能的复杂系统级联变换系统通过串联多个变流单元提高系统容量和性能，如多级变换可实现DC-DC高升降压比；混合变流拓扑结合不同拓扑的优点，如源逆变器集成升压和逆变功能；多功能变流器在一个系统中集成多种功能，如光伏逆变器集成控制、储能管理Z MPPT和电网支撑功能模块化设计是现代变流系统的重要趋势，通过标准化功率模块构建大型系统，提高可靠性、可维护性和可扩展性组合变流系统对控制策略提出更高要求，需要协调多个子系统工作，同时考虑系统稳定性、动态响应和效率优化等多重目标随着宽禁带器件和数字控制技术发展，组合变流系统将向更高集成度、更高功率密度和更智能化方向发展级联系统设计系统架构设计控制策略协调级联系统架构设计需综合考虑功能需求、性能指标和成本约束级联系统控制策略通常采用分层结构系统级控制负责总体功能根据能量流方向可分为单向级联和双向级联；根据拓扑结构可分和性能目标，如功率分配、模式切换和优化运行；单元级控制负为串联级联、并联级联和混合级联单向级联结构简单，控制相责各变流单元的基本功能实现，如电压调节、电流控制和保护功对独立，但能量传输受限；双向级联能实现能量双向流动，但控能各级控制器之间需建立合理的带宽分离，避免相互干扰制复杂且稳定性分析困难级联系统设计的关键考量先进控制方法在级联系统中应用广泛各级变流器功率容量匹配模型预测控制考虑多变量约束的优化控制••能量缓冲环节容量设计自适应控制应对参数变化和不确定性••控制带宽分配与协调分布式控制提高系统可靠性和可扩展性••故障模式分析与保护策略智能控制结合人工智能优化系统性能••混合拓扑应用混合型电源系统新能源并网变流器多端口变流系统结合多种拓扑的混合电源系统可实现高效率、混合拓扑在新能源并网系统中应用广泛，如光多端口变流器通过一个集成电路实现多个能源高功率密度和宽输入范围的特性典型应用如伏并网逆变器采用桥结构，实接口间的能量传输和管理，减少变换级数，提Boost+H Boost服务器电源采用结构，前级实现现控制和升压功能，桥实现逆变和并高系统效率和功率密度典型应用如家用光储LLC+SR LLCMPPT H高效率隔离变换，后级同步整流实现低压大电网控制；风电变流系统采用背靠背变流器结构，系统集成光伏输入、电池储能和电网接口；电流输出；电动汽车车载充电器采用实现发电机侧和电网侧的双向能量流动控制，动汽车车载电源集成主驱动、辅助电源和充电三级结构，兼顾高功率因同时提供电网支撑功能功能多端口系统需要复杂的功率流控制和保PFC+LLC+DC-DC数、高效率和宽输出范围护策略，是未来智能能源系统的重要发展方向第十一章变流系统应用可再生能源发电电机驱动系统光伏逆变、风电变流和生物质能发电变频调速、伺服控制和高精度运动控制电动汽车变流系统驱动逆变器、车载充电机和变换器DC-DC特种电源应用电网支撑技术、精密电源和特种工业电源UPS、储能变流和电能质量改善设备FACTS变流技术已渗透到能源、工业、交通和生活的各个领域电机驱动是最传统也是最大的应用领域，从家用电器到工业自动化生产线，变频技术已成为节能和精确控制的核心；可再生能源发电领域，变流器是实现高效能量转换和电网友好并网的关键；电动汽车产业中，变流器占整车成本的，其性能直接影响车辆的续航里程和驾驶体验15%-20%在电网领域，和柔性直流输电等基于变流技术的装置提高了电网的可控性和稳定性；在特种电源领域，高精度、高可靠性的变流电源为科学研究、医疗设备和国防FACTS设施提供关键支持随着碳中和目标的推进，变流技术在能源转型中的作用将更加突出，市场规模预计在未来十年内翻番增长电机驱动应用控制方式特点应用场合性能指标控制结构简单，参数依赖性低风机、水泵、空调压缩机速度精度±，无启动转矩V/f2%矢量控制高动态性能，转矩精确控制机床、卷绕、电梯、起重机速度精度±，满载启动转矩

0.5%直接转矩控制快速转矩响应，简化传感器电动车辆、牵引传动、高性能驱动转矩响应，速度精度±5ms

0.2%伺服控制高精度位置控制，高动态响应机器人、、精密制造位置精度°，速度范围CNC

0.0011:10000电机驱动是变流技术最大的应用领域，占变流器市场份额超过现代变频驱动系统主要采用结构，输入整流（可控或不可控）、直流环节和输出逆变是三个核心60%AC-DC-AC部分根据控制性能要求，可采用不同的控制策略控制简单经济，适合一般工业应用；矢量控制实现电流和磁场解耦控制，适合高性能场合；直接转矩控制响应更快，但转V/f矩纹波较大变频器在节能减排中发挥重要作用，研究表明在风机、水泵等恒转矩负载中，通过变频调速可节约的电能此外，变频器还能实现软启动、能量回馈和过载保护等功能，30%-50%提高系统可靠性和使用寿命随着宽禁带器件和数字控制技术发展，变频器正向高效率、高功率密度和智能化方向发展，同时集成预测维护和远程监控等功能新能源应用变流技术是新能源发电系统的核心，实现能量转换、电网并网和电能质量控制光伏并网系统中，变流器负责最大功率点跟踪、直流升压和逆变并网，主流MPPT拓扑包括集中式、组串式和微型逆变器；风电系统采用双馈感应发电机或永磁同步发电机配合全功率或部分功率变流器，实现宽速域高效发电和电网DFIG PMSG支撑功能储能变流技术是构建高比例可再生能源电力系统的关键双向变换器和双向逆变器构成储能变流系统的核心，实现电池充放电管理和电网交互先进控制技DC-DC术如虚拟同步发电机和栅格阻抗控制使变流器具备电网支撑能力，提供惯量响应、有功调频和无功支撑能源互联网依托多端口、多功能变流器，实现多种能VSG源形式的灵活转换和智能管理，是未来能源系统的发展方向未来发展趋势宽禁带半导体应用碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体器件以其高耐压、低损耗和高温工作能力，正引领变流技术新一轮革命已在电动汽车和光伏逆变器中广泛应用，SiC GaNSiC MOSFET在高频电源领域展现优势预计未来五年，宽禁带器件将加速取代硅基器件，推动变流系统向更高效率、更高功率密度方向发展GaN HEMT数字化控制技术高性能微处理器和现场可编程门阵列的应用，使复杂控制算法的实时实现成为可能模型预测控制、自适应控制和人工智能控制等先进方法将提升变流系统的动态FPGA性能和鲁棒性数字孪生技术与云计算结合，实现变流系统的虚拟建模、在线监测和预测维护，提高系统可靠性和寿命集成化与模块化功率集成模块和智能功率模块技术将驱动、保护和控制电路高度集成，降低系统体积和成本同时，标准化功率模块推动大型系统的模块化设计，提高系统可PIM IPM靠性和可维护性三维封装、嵌入式技术和液冷散热等创新方案将进一步提升功率密度，为电动交通和分布式能源等空间受限场合提供解决方案。