電力電子電路常見波形及分析

電力電子電路的功率輸出級是在大信號條件下工作的電路，由于工作電壓高、傳輸電流大，在電路的設(shè)計中經(jīng)常需要對電路的各部分進行電壓、電流和功率等參數(shù)的計算或估算，這種計算或估算甚至要細化到每一個元件。電路參數(shù)的計算或估算可使設(shè)計者清楚地了解功率輸出級各個部分的詳細情況，這對于整個電路的設(shè)計和器件的選擇是非常重要的。計算電路參數(shù)的作用可大致歸結(jié)為以下幾點：
(1)電路輸出功率的分析。電力電子電路的作用就是驅(qū)動大功率的負載，因此，電路輸出的電壓和電流能否滿足負載的功率要求，是設(shè)計中首先必須考慮的問題。
(2)功率器件自身功耗的分析：電力電子電路中，功率器件工作在高電壓、大電流的條件下，器件的功耗往往也會比較大，故在電路設(shè)計中，分析器件自身將承受的電壓、電流和器件可能產(chǎn)生的功耗是合理選擇功率器件和有效使用功率器件的重要前提。
(3)電路供電電源容量的確定。電力電子電路常常要采用多組電源，分別為控制級、驅(qū)動級和功率輸出級電路供電。控制級電路屬于小電力電子電路，因此其電源功耗很小。驅(qū)動級電路在功率輸出器件處于穩(wěn)態(tài)時，電源功耗也很小，但在驅(qū)動功率器件動作的瞬間，其電流常會達到幾安數(shù)量級，要根據(jù)驅(qū)動電路的具體參數(shù)設(shè)計此部分的電源容量。功率輸出級電路的供電方式有兩種，一種是以穩(wěn)壓電源供電，故供電電源的容量應(yīng)大于輸出功率和功率器件自身功耗的總和；另一種是以電力線路的交流電源直接供電，此時也應(yīng)根據(jù)輸出功率和功率器件自身功耗考慮電力線路的容量和電力變壓器的容量。
(4)印刷線路板布線形式的重要參考。電力電子電路的功率輸出級采用大信號方式工作，其導線上電壓高、電流大，并且在電路狀態(tài)發(fā)生切換時，流過大信號的導線會產(chǎn)生很大的電磁干擾。因此，電力電子電路的印刷線路板布線時，要清楚每條導線的電流、電壓值以及電磁干擾情況，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)合理進行布線。合理布線的基本要求是：將電流大的導線設(shè)置成較大的寬度，以保證導線的可靠性；使低電壓導線盡量遠離高電壓導線，避免出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象；將電磁干擾比較大的導線與易受干擾的小信號電路部分盡量在空間上隔離開，并避免大信號導線與小信號導線的平行擺放，以減少強信號部分對弱信號部分的干擾。
電路中直流電路參數(shù)的計算方法和交流穩(wěn)態(tài)條件下電路參數(shù)的計算方法在電路分析、模擬電路等課程中已進行了充分的討論。在電力電子電路巾，需重點關(guān)注的是功率輸出級電路的參數(shù)計算。功率輸出器件面對的往往是一定形式的大信號電壓、電流周期波形，對于這部分電路工作參數(shù)的分析需要針對各種形式的大信號周期波形進行計算，這對于電力電子電路是非常重要的。
實際的電力電子電路所處理的大信號波形往往是一些比較復(fù)雜的波形，但是通過近似，通�？蓪⑦@些波形歸結(jié)為直流、矩形波、正弦波等幾種常見波形。下面主要對這些波形的方程、平均值、均方根值、功率等的計算問題進行討論，其結(jié)果對于電力電子電路設(shè)計中的輸出功率計算、器件選擇和供電電源容量的確定具有重要的作用。
常見波形的描述方程
1 直流
直流是電路中最簡單的信號，是—個數(shù)值恒定的信號，其電壓、電流的標稱值同時又是它的最大值和峰值。直流信號的波形如圖1(a)所示。在電路中通常以u(t)、i(t)表示信號的電壓電流，以Um、Im表示電壓、電流的最大值(峰值)，則直流電壓、電流的方程為： 2 矩形波
在電力電子電路中，為了提高電路的工作效率，降低功率器件自身的功耗，常常采用開關(guān)工作方式，其輸出電壓波形即為矩形波。矩形波的電壓波形如圖1(b)所示。圖中，矩形波的周期為T，在周期開始時矩形波的波形為高電平Um，且在ton時間內(nèi)保持這一電平；在該周期內(nèi)余下的toff時間內(nèi)電壓跳變?yōu)?V。
矩形被的一個重要參數(shù)是占空比D，它表示在—個矩形被周期中，高電平所占的時間比例，即 矩形波的方程由兩個部分組成，即高電平時間ton和低電平時間toff的電壓狀態(tài)，表達式為 3 正弦波
正弦波是電路中最常見的信號，交流電壓的波形即為正弦波。許多功率負載是交流負載，均是以正弦電壓來驅(qū)動的。正弦被的電壓波形如圖2(a)所示。正弦波有三個要素，即振幅、頻率和初相角。
正弦電壓的振幅常以Um表示，正弦電流的振幅常以Im表示。
正弦波的頻率以f表示，但工程上常用角頻率ω來表示正弦波的頻率，ω=2πf。
正弦被的初相角以φ表示。
正弦電壓的方程為 正弦電流的方程為 在工程上，為了計算方便，常將正弦波的初相角ф設(shè)為0，此時正弦電壓、正弦電流方程簡化為 正弦電壓經(jīng)過二極管的半波整流后的電壓波形如圖2(b)所示。經(jīng)過半波整流后的正弦電壓方程為 正弦電壓經(jīng)過二極管的全被整流后的電壓波形如圖2(c)所示。經(jīng)過全波整流后的正弦電壓方程為