1.2 电力电子技术的几个应用

高效开关变换器面临的功率范围从 (1)小于1瓦（电池供电的便携式设备内的DC-DC转换器）到(2)计算机及办公设备中的几十，几百，数千瓦到(3)变速电机驱动器中上千瓦及兆瓦以及(4)通过传输线接入交流电源的数千兆瓦的整流器和逆变器中。本节对几种变换器应用系统进行了介绍。

个人计算机的电源系统如图1.14所示。锂电池为系统供电，数DC-DC变换器将电池电压转换为负载所需的电压。降压转换器产生微处理器所需的低压直流电。升压转换器将电池电压增加到磁盘驱动器所需的电压水平。逆变器产生高压高频交流电，以驱动点亮显示屏的灯。带有变压器隔离的充电器将交流线路电压转换为直流电，从而为电池充电。变换器的开关频率通常在几百千赫兹附近。这导致无源器件的尺寸和重量的显着减小。使用电源管理来控制睡眠模式，在该模式下可以减少功耗并延长电池寿命。在分布式电源系统中，中压系统一般出现在计算机底板上。每个印刷电路板都包含高密度DC-DC变换器，这些变换器产生本地需要的可控低压。电力电子设备的商业应用包括用于计算机，办公室和实验室设备的离线电源系统，不间断的交流电源以及用于气体放电照明的电子镇流器。

Fig 1.14 A computer power supply system

图1.15展示了一个航天器动力系统。太阳能电池板产生主电源总线电压\(V_{bus}\)，DC-DC变换器将\(V_{bus}\)变换为为航天器有效载荷所需的稳压电压。电池充电/放电控制器将主电源总线与电池连接；这些控制器可能还包含dc-dc转换器。电力电子设备在航空航天中的应用包括飞机，航天器和其他航空航天器的电力系统。

Fig 1.15 A spacecraft power system

图1.16说明了电动汽车的供电和驱动系统。电池由一个变换器充电，该变换器从单相或三相交流线路吸收高功率因数正弦电流。电池为变速交流电动机供电，以驱动车辆行驶。交流电动机的速度通过电压频率的变化来控制。逆变器产生可变频率和可变幅度的三相交流输出电压，以控制交流电动机和车辆的速度。DC-DC变换器将电池电压降低至系统电子设备所需的较低直流电压水平。电动机驱动器的应用包括工业过程的速度控制，例如压缩机，风扇和泵的控制。电动汽车，地铁和机车等运输应用；和运动控制应用在计算机外围设备和工业机器人等领域。

Fig 1.16 A variable-speed ac motor drive system

电力电子还可以在其他不同行业中得到应用，包括直流电源，电信行业的不间断电源和电池充电器；用于风力和光伏发电等可再生能源发电应用的逆变器系统；和电力系统应用，包括高压直流传输和静态VAR（无功伏安）补偿器。

1.3 电力电子技术构成

使电力电子领域变得有趣的一件事是它融合了来自不同领域的概念，其中包括：

模拟电路

电子设备

控制系统

电力系统

磁学

电机学

数值仿真

因此，电力电子技术的实践需要广泛的电气工程背景。此外，还有一些电力电子领域独有的基本概念，需要进行专门研究。

高频开关的存在使得对开关模式变换器的理解不那么简单。因此，变换器建模对于电力电子学的研究至关重要。根据式(1.3)，如等式中所述。周期波形的直流分量等于其平均值。可以理想的认为，通过求平均来预测所有转换器波形的直流分量。在本书的第一部分中，得出了在稳态下工作的变换器的平均等效电路模型。这些模型不仅可以预测开关模式变换器的基本理想性能，还可以预测效率和损耗。还讨论了使用功率半导体器件实现开关元件的方法。

变换器控制系统的设计需要其动态模型。在本书的第二部分中，扩展了平均技术，以描述变换器波形中的低频变化。提出了小信号等效电路模型，该模型可预测控制到输出、传递函数以及其他感兴趣的交流量。然后将这些模型用于设计变换器控制系统，并有助于理解众所周知的电流程序控制技术。

磁性元件是任何开关转换器的关键组件。具有高效率，小尺寸和轻重量的大功率高频磁性元件的设计对于大多数变换器技术而言至关重要。第三部分讨论了高频功率磁设计。

整流器谐波对交流电力系统的污染是一个日益严重的问题。因此，许多变换器器系统现在都集成了低谐波整流器，这些整流器从公用系统汲取正弦电流。这些现代的整流器比传统的二极管电桥要复杂得多：它们可能包含高频开关模式转换器，其控制系统可调节交流线路电流波形。第四部分介绍了现代整流器技术。

谐振变换器器采用准正弦波形，与图1.9中所示的降压变换器的矩形波形相反。这些谐振转换器可用于需要高频逆变器和变换器的场合。第五部分对谐振变换器进行了建模。讨论了其损耗机理，包括零电压开关和零电流开关的过程。