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1、电力电子电路常见波形及分析电力电子电路的功率输出级是在大信号条件下工作的电路，由于工作电压高、传输电流大，在电路的设计中经常需要对电路的各部分进行电压、电流和功率等参数的计算或估算，这种计算或估算甚至要细化到每一个元件。电路参数的计算或估算可使设计者清楚地了解功率输出级各个部分的详细情况，这对于整个电路的设计和器件的选择是非常重要的。计算电路参数的作用可大致归结为以下几点：(1)电路输出功率的分析。电力电子电路的作用就是驱动大功率的负载，因此，电路输出的电压和电流能否满足负载的功率要求，是设计中首先必须考虑的问题。(2)功率器件自身功耗的分析：电力电子电路中，功率器件工作在高电压、大电流的条件
2、下，器件的功耗往往也会比较大，故在电路设计中，分析器件自身将承受的电压、电流和器件可能产生的功耗是合理选择功率器件和有效使用功率器件的重要前提。(3)电路供电电源容量的确定。电力电子电路常常要采用多组电源，分别为控制级、驱动级和功率输出级电路供电。控制级电路属于小电力电子电路，因此其电源功耗很小。驱动级电路在功率输出器件处于稳态时，电源功耗也很小，但在驱动功率器件动作的瞬间，其电流常会达到几安数量级，要根据驱动电路的具体参数设计此部分的电源容量。功率输出级电路的供电方式有两种，一种是以稳压电源供电，故供电电源的容量应大于输出功率和功率器件自身功耗的总和；另一种是以电力线路的交流电源直接供电，此
3、时也应根据输出功率和功率器件自身功耗考虑电力线路的容量和电力变压器的容量。(4)印刷线路板布线形式的重要参考。电力电子电路的功率输出级采用大信号方式工作，其导线上电压高、电流大，并且在电路状态发生切换时，流过大信号的导线会产生很大的电磁干扰。因此，电力电子电路的印刷线路板布线时，要清楚每条导线的电流、电压值以及电磁干扰情况，并依据这些数据合理进行布线。合理布线的基本要求是：将电流大的导线设置成较大的宽度，以保证导线的可靠性；使低电压导线尽量远离高电压导线，避免出现“打火”现象；将电磁干扰比较大的导线与易受干扰的小信号电路部分尽量在空间上隔离开，并避免大信号导线与小信号导线的平行摆放，以减少强信
4、号部分对弱信号部分的干扰。电路中直流电路参数的计算方法和交流稳态条件下电路参数的计算方法在电路分析、模拟电路等课程中已进行了充分的讨论。在电力电子电路巾，需重点关注的是功率输出级电路的参数计算。功率输出器件面对的往往是一定形式的大信号电压、电流周期波形，对于这部分电路工作参数的分析需要针对各种形式的大信号周期波形进行计算，这对于电力电子电路是非常重要的。实际的电力电子电路所处理的大信号波形往往是一些比较复杂的波形，但是通过近似，通常可将这些波形归结为直流、矩形波、正弦波等几种常见波形。下面主要对这些波形的方程、平均值、均方根值、功率等的计算问题进行讨论，其结果对于电力电子电路设计中的输出功率计
5、算、器件选择和供电电源容量的确定具有重要的作用。常见波形的描述方程1 直流直流是电路中最简单的信号，是个数值恒定的信号，其电压、电流的标称值同时又是它的最大值和峰值。直流信号的波形如图 1(a)所示。在电路中通常以 u(t)、i(t)表示信号的电压电流，以 Um、Im 表示电压、电流的最大值(峰值)，则直流电压、电流的方程为：2 矩形波在电力电子电路中，为了提高电路的工作效率，降低功率器件自身的功耗，常常采用开关工作方式，其输出电压波形即为矩形波。矩形波的电压波形如图 1(b)所示。图中，矩形波的周期为 T，在周期开始时矩形波的波形为高电平 Um，且在 ton 时间内保持这一电平；在该周期内余
6、下的 toff 时间内电压跳变为 0V。矩形被的一个重要参数是占空比 D，它表示在个矩形被周期中，高电平所占的时间比例，即矩形波的方程由两个部分组成，即高电平时间 ton 和低电平时间 toff 的电压状态，表达式为3 正弦波正弦波是电路中最常见的信号，交流电压的波形即为正弦波。许多功率负载是交流负载，均是以正弦电压来驱动的。正弦被的电压波形如图 2(a)所示。正弦波有三个要素，即振幅、频率和初相角。正弦电压的振幅常以 Um 表示，正弦电流的振幅常以 Im 表示。正弦波的频率以 f 表示，但工程上常用角频率 来表示正弦波的频率，=2f 。正弦被的初相角以 表示。正弦电压的方程为正弦电流的方程为
7、在工程上，为了计算方便，常将正弦波的初相角 设为 0，此时正弦电压、正弦电流方程简化为正弦电压经过二极管的半波整流后的电压波形如图 2(b)所示。经过半波整流后的正弦电压方程为正弦电压经过二极管的全被整流后的电压波形如图 2(c)所示。经过全波整流后的正弦电压方程为平均值平均值也称为直流值，当采用直流仪表测量一个周期波形信号时，其显示的测量结果是这个周期波形的平均值。因此，平均值是可以在电路中直接用直流仪表测量出的一个电路参数。根据周期信号的波形方程，在一个周期 T 的范围内对信号进行积分，并除以周期 T，就得到了周期信号的平均值，记为 Uave 或 Iave。1直流直流作为一种恒稳的信号，显
8、然，平均值 Uave(Iave)就是它的标称值，同时也是它的最大值或峰值 Um(Im)，即2 矩形波对一个周期的矩形波电压进行积分，并除以周期时间，可得矩形波电压的平均值可见，矩形波电压的平均值就是最大值 Um 和占空比 D 的乘积。3正弦波对于正弦波求平均值是没有意义的。因为在正弦波的一个周期内，正半周波形和负半周波形是完全对称的积分结果为 0。可实际上正弦波又实实在在地携带有能量，因此，其特征是不能用平均值来表示的。对于经二极管半波整流后的正弦波电压可以求平均值这个值也是通过直流仪表测量半波整流结果时，直流仪表显示的电压值。对于经二极管全波整流后的正弦波电压也可以求平均值显然，当使用直流仪
9、表测量全波整流结果时，直流仪表也会显示出这个电压值。均方根值均方根值是对信号波形 u(t)或 i(t)的平方求平均值，再进行开方的结果，记为 Urms 或Irms。均方根值也称有效值，它可以指示信号发送功率的能力。不管什么波形，具有相同均方根值的信号发送到阻性负载上的功率是相同的。1 直流直流电压的均方根值仍是其标称值，即2 矩形波对矩形波信号的方程求均方根值，得3 正弦波对正弦波电压的方程求均方根值，可得正弦波电压的均方根值(有效值)对于经二极管半波整流后的正弦波电压，均方根值为对于经二极管全波整流后的正弦波电压，均方根值为显然，这个值与未进行整流的正弦波电压的均方根值是一样的。要注意的是，
10、经全波整流的正弦被与经半波整流的正弦波从波形上看，前者是多了一倍，但经全波整流的正弦波电压的均方根值并不是经半波整流的正弦波电压均方根值的两倍，而仅是一个根号 2 倍的关系。不过，如果将全波整流后的正弦波电压与半波整流后正弦波电压作用于同样大小的阻性负载上时，前者产生的功率将是后者的两倍。这是由于功率是电压和电流的乘积，如果根号 2 倍的电压作用于阻性负载上时，则电流也会为根号 2 倍，功率就将会是 2 倍。例 设正弦交流电源的榆出电压为 u(t)10sin314t，求此电压经二极管半波整流和全波整流后，电压的均方根值以及作用于一个 10 欧电阻上产生的功率。(设二极管为理想二极管，其正向压降
11、为 0)解 根据正弦电压均方根值的计算公式，可有将这两个电压分别作用于一个 10 欧电阻上时，有对于正弦波信号要注意最大值 Um 平均值 Uave 均方根值 Urms 三者之间的关系和区别，在不同的电路情况下，电路会反映出不同的值，这在电路的设计和测量中会经常遇到。例如，正弦信号 u(t)Umsint ，此信号经二极管全波整流后 (假设二极管是理想的)信号变为用直流仪表测量此电压时，显示结果为此电压的平均值 Uave=2Um/，但是如果将此电压作用在一个电阻为 R 的阻性负载上，产生的功率将为 P=Um2/2R，这显然对应于信号的均方根值；而将整流信号接人一个电容进行滤波，在空载情况下，测量得
12、到的电压将为 u(t)Um ，为信号的最大值。功率功率等于电压与电流的乘积，这个结论通常只适用于恒稳直流电压和恒稳直流电流。对于周期波形信号，功率是一个平均值的概念，要在一个周期内对电压电流积求平均值，才可得到信号的平均功率。因此，平均功率的计算式为1 直流直流信号的功率等于电压与电流的乘积此式虽然简单，但是在电路的分析当中是最经常使用的公式。例 设电路中有一个 10 欧的电阻，其上通过的电流为 0.42A，求此电阻应选择多大功率的电阻。解 由于电阻通过的电流为 0.42A，故此电阻上的电压降电阻上的功耗为实际中应选耗散功率为 2W 的电阻。2 矩形波当把一个矩形电压 u(t)加到一个纯阻性负
13、载上时，就会产生一个同样形状的矩形电流 i(t)。负载上的平均功率为要注意此结论仅适用于电压、电流波形相同的情况。当把一个矩形电压 u(t)加到一个感性负载上时，电流将是锯齿波或梯形波，此时平均功率计算需依靠电压、电流波形，以积分方式求得。3 正弦波最简单的模型是将正弦波电压加到一个纯阻性的负载上，产生一个与电压同相的正弦波电流，有则负载上的功率为这个结果与交流电路中的有效值计算方法所得结果是一致的。要特别注意的是，上述结论的使用仅限于信号电压和电流均为正弦波且为同相位的条件下，如果信号电压和电流的波形不同或相位不同，则上述结论可能不成立。电力电子技术是研究大功率负载驱动技术和大功率电源变换技
14、术的一门学科，与模拟电子技术、数字电子技术等学科不同，电力电子技术的主要特点在于其面对的负载是大功率负载，这类负载通常要求在高电压、大电流、强功率的条件下工作。为此，电力电子技术所研究的电路器件、电路下作形式和电路设计方法无一不是以能够为负载提供足够大的输出功率为基本出发点的。出于输出功率大，电力电子技术对于电路的电源转换效率便格外注重，其各种电路工作形式和设计方法往往是以提高电源转换效率、降低功率器件的自身损耗为日标的。此外由于电力电子电路通常工作于高电压、大电流的条件下电路的可靠性、安全性和抗干扰能力也是必须要考虑的问题。此类问题通过电力电子电路中的缓冲电路、保护电路和抗干扰设计等手段来解
15、决。电力电子技术的应用可以使电气设备的控制方式得到大的改善，使电气设备的控制更为精确，性能巫为优越。电力电子技术在电气设备的节能方面有重要的作用，可以有效地降低电气设备的丁作损耗。电力电子技术的应用可以使许多绿色能源得以充分地利用，扩展了能源的产生形式，同时还可使电力传送出现重大变革，降低电力传送的损耗，这些均会对社会生产和生活产生深远的影响。电力电子电路的设计过程中，对电路的各部分电压、电流利功率等参数的计算是必不可少的，参数计算是电路工作电压的确定、功率器件的选择、缓冲电路和保护电路的参数设定以及电路布线形式等一系列设计问题的重要依据。电力电子电路中常用的电压、电流形式是直流、矩形波和交流正弦波，对于这些电压、电流形式的平均值、有效值和功率的计算，是电力电子技术学习中必须掌握的内容。
