电力电子转换器在家庭、商业工作场所或工业环境的日常生活中随处可见。
由于高功率处理和更高的效率，这些转换器成为工业电力驱动，大功率电源，电力牵引系统和汽车控制设备的组成部分。
有不同类型的电力电子转换器用于执行不同的功能(如反转、整流等)，其额定功率从几毫瓦到几千瓦。让我们详细地看看这些转换器。
大纲
电力电子转换器简介“，
电力电子技术处理和控制电能流，以便以最适合最终用户要求的形式提供电压和电流。
电力电子转换器使用电力电子元件如可控硅，triac, igbt等，以控制和转换电力。该变换器的主要目的是针对某一应用产生调节功率。
电力电子转换器的框图如上图所示。它由电能源、电力电子电路、控制电路和电力负载组成。这个转换器把一种形式的电能转换成另一种形式的电能。
电力电子电路由动力部分和控制部分组成。电力部分将能量从源传输到负载，它由电力电子开关(可控硅或可控硅)，变压器，电扼流圈，电容器，保险丝，有时还有电阻组成。
控制电路或块调节转换器电源部分的元件。该区块由复杂的低功耗电子电路组成，由模拟或数字电路组件组成。
电力电子变换器执行各种基本的电力转换功能。该变换器是一个单一的电源转换级，可以在交流和直流电源转换系统中执行任何功能。
根据所执行的功能类型，电力电子转换器分为以下类型。
- 交流转直流=整流器:它将AC转换为单极(DC)电流
- 直流转交流=逆变器:它将直流转换为所需频率和电压的交流
- 直流对直流= Chopper:它将常量转换为变量DC或变量DC转换为常量DC
- 交流对交流=循环变换器，矩阵变换器:它从线路交流电源转换所需频率和/或所需电压大小的交流。
这些类型的电力电子转换器可以在各种各样的应用中找到，如开关模式电源(SMPS)，电机控制，能量存储系统，照明驱动器，有源电力滤波器发电与配电、可再生能源转换、柔性交流输电和嵌入式技术。
让我们详细介绍每个转换器。
交流到直流转换器或整流器
AC - DC变换器也称为整流器，它将主线的交流电源转换为负载的直流电源。交直流变换器的框图如下图所示。
整流器的基本部件包括变压器、开关单元、滤波器和控制块。
在这里，变压器将一次交流电源调节到整流级的输入。通常它是一个降压变压器，将电源电压降低到电路工作范围。
整流器将低压交流电源转换为直流电源。
它包括二极管和/或基于整流器类型的晶闸管。整流器的输出是脉冲直流，因此使用滤波电路进行滤波，滤波电路通常由电容器或扼流圈组成。
在相控整流器的情况下，控制块控制晶闸管的发射角度。由于二极管不是可控器件，在二极管整流器的情况下不需要控制块。
整流器主要分为两类
- 不可控二极管整流器
- 控制整流器
不可控二极管整流器
这种整流器将市电的交流电压转换成固定的直流电压。
由于二极管是不可控元件(不需要任何触发)，这些转换器被称为不可控转换器，因为它们产生固定电压。输入电压可以是单相电压也可以是三相电压。
二极管整流器分为以下几种类型。
4.三相半波二极管整流器
它采用三个二极管，其阳极端子通过变压器连接到三相源，如图所示。负载连接在星形连接电源的共阴极点和中性端子之间。
当r相达到峰值时，由于二极管D1正向偏置，因此导通最大，在相位r发生负变化时，二极管D1不导通。在y相和b相最大值时，其他两个二极管的导通情况相似。
这种整流器的主要缺点是二次绕组由直流电流组成，容易引起变压器铁芯饱和问题。
因此，对于大功率应用，不宜采用三相半波整流器。
5.三相全波二极管桥式整流器
这种整流器适用于大功率应用，通常功率输出高于15KW。全波二极管桥式整流电路如下图所示。
电路的运作需要六个二极管。这种类型的电路不需要任何三相电源的中性连接，因此可以使用星型和delta连接电源。
这里输出电流流过上组二极管的一个二极管和下组二极管的一个二极管。如果一个二极管的阳极处于高电位，这个上组二极管将导通，而其他两个二极管反向偏置。
类似地，具有较低电位的阴极的二极管将导电，而其他两个二极管是关闭的。上述电路的二极管对导通为D6 D1, D1 D2, D2 D3, D3 D4, D4 D5和D6 D1。
由于来自上一组的一个二极管和来自下一组的一个二极管始终导通;三相电压的负极元件被整流，因此在一个周期内输出电压由六段线电压组成。
因此，三相桥式整流器被称为六脉冲整流器。
与半波转换器相比，这些是高效的整流器。由于有六脉输出，输出中的纹波含量很低，一般在4.5%左右。
这避免了在许多高功率应用中额外的滤波电路。即使需要滤波器，小尺寸的滤波器也足够了，因为纹波频率增加到输入频率的六倍。
相控整流器
这些类似于不受控整流器，但唯一的区别是不受控二极管被可控硅系列器件(如scr)所取代。
这些也被称为相位控制整流器。与二极管不同，晶闸管可以通过在需要的瞬间触发它们来控制，以改变输出电压。
控制整流器的框图如上图所示，它通过使用不同的技术，如基于微处理器或基于微控制器的技术，通过改变晶闸管的触发角度(通过控制电路)，以控制方式将直流电源传输到负载。
晶闸管导通的开始使变换器输出电压的平均值发生变化。类似于无控整流器类型，这些可控硅转换器也分为以下类型。
单相半波整流器
如图所示，在变压器的次级和电阻性负载之间连接一个可控硅或可控硅。变压器的一次电源连接到单相电源，并考虑负载是电阻性的。
在输入交流电源的正半周期内，晶闸管T1正向偏置，当它通过门端子以一定发射角度被触发时，它开始向负载传导电流。
由于可控硅是一个单向器件，它在负半周期关闭。所以输出电压只产生正半周期。
这种半波整流器的输出功率由相位控制来控制，即改变栅极的发射角度。该整流器的负载可以是带自由轮二极管的RL负载和RLE负载。
单相全波中点整流器
这个转换器可以校正输入电源的正半周期和负半周期。如图所示，它采用两个带中心抽头次级变压器的可控硅。
在输入电源的正半周期内，晶闸管T1正向偏置，T2反向偏置。当ent1被触发时，电源电压出现在负载上。
它一直进行到输入电源的180度，并由于自然换向而关闭。在负半周期内，晶闸管T2正向偏置，当它被触发时，它开始导电。它传导到下一个正半周期。
负载可以是RL或RLE，这取决于所使用的应用程序的类型。这种变换器的输出电压是单相半波整流器的两倍。
当直流侧的一个端子必须接地时，这些是必不可少的。然而，在该转换器中需要一个VA额定值为负载两倍的中心抽头变压器，并且还需要高额定电压的晶闸管。
单相全波桥式整流器
采用晶闸管的全波桥式整流器的电路图如下图所示。它由四个scr组成，连接在单相交流电源和负载之间。
这种整流器通过改变所有可控硅的导通产生可控的直流。
在输入的正半周，晶闸管T1和T2正向偏置，T3和T4反向偏置。晶闸管T1和T2在正半周期内以一定的发射角度同时触发，T3和T4在负半周期内被触发。
当它们处于传导状态时，负载电流开始流过它们。该转换器的负载可以是RL或RLE，具体取决于应用程序。
通过改变桥中每个晶闸管的导通，可以控制该变换器的平均输出。输出电压的平均值是半波整流器的两倍。
三相半波转换器
单相变换器输出功率小;当需要高功率时，采用三相整流器。带晶闸管的三相半波整流器如下图所示。
三相电源是通过一个三相变压器与星形连接二次给这个转换器。
它的工作原理类似于三相二极管桥式整流器。在这种情况下，晶闸管T1在π/6到5π/6区间内处于最高的正阳极电压。在这段时间内，T1可以通过给它的栅极一个发射脉冲来导电。
该晶闸管T1继续导通，直到晶闸管T2在区间5π/6 < wt < 3π/2内导通。现在负载电流开始流过T2。类似地，一旦晶闸管T2关闭，晶闸管T3就开始导电。
在这种情况下，在每个完整的供电电压周期中有三个输出电压脉冲。因此纹波频率是电源频率的三倍。
因此，这种转换器也被称为3脉冲转换器。该转换器可以连接到不同的负载，如RL和RLE负载。
三相全波变换器
它由两个三脉冲变换器的直流端子串联而成。它也被称为6脉冲桥式变换器。这种类型的转换器用于需要两象限操作的工业应用。
在这里，负载通过三相半波连接到三条供电线路之一。因此，不需要变压器;然而，出于隔离目的，如图所示连接了一个变压器。
这里晶闸管T1, T3和T5形成了一个正基团，而晶闸管T4, T6和T2形成了一个负基团。因此，正组可控硅为正电源电压打开，负组晶闸管为负电源电压打开。
在这种情况下，正极组的一个晶闸管，其阳极电压为最大正极，在任何时刻都将导电，同时负极组的一个晶闸管，其阴极电压为最大正极，将导电。
该转换器可以连接到RL或RLE负载。通过控制各自晶闸管的发射角度，可以改变交付给负载的平均功率。
某一正极组晶闸管的发射角，从其阳极变成最大正极的瞬间开始测量。
同样地，在负极组晶闸管的发射角是从其阴极端达到最大负值的瞬间开始测量的。
DC - DC转换器
许多直流操作应用需要来自固定直流电源的不同等级的直流电压。
这些应用包括地铁车厢、直流牵引系统、大型直流电机控制、电池驱动车辆、无轨电车等。它们需要可变的直流来产生可变的速度，因此需要一个功率转换装置。
直流斩波器是一种静态设备，它将固定的输入直流电压转换为可变的直流输出或不同幅度的固定直流输出(可以比输入值低或高)。直流斩波器的框图如下图所示。
斩波电路连接在直流输入源和直流负载之间。该斩波器由电力电子开关设备组成，如晶闸管，它们以这种方式连接，以产生所需的直流电压到负载。
输出电压是通过调节可控硅(或开关)的ON时间来控制的，开关的转动改变输出处直流电压脉冲的宽度。这种开关方法被称为脉宽调制(PWM)控制。
斩波器的输出可以大于或小于输入，也可以是固定的或可变的。根据应用的不同，这些设备可以是单向的，也可以是双向的。
直流切割机主要用于直流驱动，即电动汽车和混合动力电动汽车。
直流斩波器根据输入和输出电压等级分为三种基本类型，下面将进行讨论。
降压斩波或Buck转换器
降压斩波产生的平均输出电压低于输入直流电压。该转换器的电路如下图所示。
这里的开关元件是一个可控硅，当负载在特定时刻被触发时，可将输入电压切换到负载。
一个二极管作为一个自由的车轮二极管，允许负载电流通过它时，晶闸管关闭。如果这个二极管不存在，电感中的高感应电动势可能会对开关设备造成损坏。
通过控制晶闸管的开/关周期来改变变换器的平均输出电压。当晶闸管打开时，输出电压与输入电压相同，如果关闭，输出电压为零。
输出电压等于(TON / T) Vin。因此，通过控制占空比K = (TON / T)，输出电压将会增加。
升压斩波器或升压转换器
在这个斩波器中，输出电压总是大于输入电压。升压变换器的配置如下图所示。
这里还使用了一个开关，它与负载平行连接。这个开关是可控硅或可控硅。
与降压变换器类似，二极管与负载串联，当晶闸管关闭时，允许负载电流流动。
当晶闸管打开时，二极管反向偏置，因此它将负载电路与源隔离。所以电感充电到最大输入电压源。
当晶闸管关闭时，负载从输入端和电感端获得电压。因此，变换器输出端的电压将大于输入端的电压。
这里输出电压等于(1/ 1 - d)乘以输入电压，其中d是占空比(TON / T)。通过改变占空比，输出电压将会改变，直到负载得到所需的电压。
巴克/提高转换器
这种斩波器可以通过连续调整其占空比，在降压和升压模式下使用。降压-升压变换器的结构如下图所示，它只包含一个开关器件，即一个晶闸管。
除电感和二极管外，还有一个电容与该电路并联。
当晶闸管接通时，电源电流通过晶闸管流入电感器并感应电感器内的电压。
当晶闸管关闭时，电感器中的电流随着感应电动势反转极性而减小。该转换器的输出电压保持恒定，因为电容器连接在负载上。
通过改变占空比到一定值，输出电压低于输入电压，通常在0≥k > 0.5范围内，因此是降压变换器。
占空比在0.5 > K≥1范围内，输出电压高于输入电压，起到升压变换器的作用。
AC到AC转换器
AC/AC转换器通过控制向负载提供的功率将交流电源连接到交流负载。该转换器通过改变电源电压的大小和频率，将一个电平的交流电压转换为另一个电平。
这些用于不同类型的应用，包括不间断电源，大功率交流到交流传输，可调速驱动器，可再生能源转换系统和飞机转换器系统。
下面将讨论AC到AC转换器的类型。
交流/交流电压转换器
这些转换器以恒定的频率控制输出电压的有效值。这些转换器的常见应用包括交流电机的启动和对加热器的控制电源。
单相AC/AC电压转换器由一对反并联晶闸管和控制电路组成，如下图所示。
这种控制器的其他名称是单相全波转换器和交流电压控制器。
在输入信号的正半周期内，晶闸管-1正向偏置，当触发应用时，它开始导电。因此，电力从电源流向负载。
在输入的负半循环中，晶闸管-2正向偏置并在触发时开始导电，而晶闸管-1通过自然换向关闭。
通过在每半个周期中改变每个晶闸管的触发或传导角度，控制负载上出现的电压大小。
另一种流行的交流电压控制器形式是使用可控硅代替两个反平行晶闸管。下图为基于可控硅的交流控制器及其触发控制电路。
在这里，diac控制可控硅的正负触发，从而控制负载的平均输出电压。
AC/AC变频器
这些转换器主要用于将输入源的频率改变到所需的负载水平。AC/AC变频器将负载的输入电压/电流的频率与电源的频率进行比较。
其中一些转换器除了控制频率外，还可以控制电压的大小。这些主要用于调节交流驱动器的速度，也用于感应加热。
这些转换器的两大类包括
三轮车转换器
而且
- 矩阵转换器。
矩阵变换器
由于循环变换器只能在一定的频率范围内工作，因此发明了具有不受限制的频率转换能力的矩阵变换器。
这些是使用完全控制的静态设备构造的，大多数使用双向开关。在三相矩阵变换器中使用这些开关，负载的任何相位都可以连接到输入电源的任何相位。
通过脉宽调制技术，将负载频率和电压从零控制到最大值。
直流到交流转换器或逆变器
这些转换器连接在固定输入的直流电源和可变的交流负载之间。最常见的是DC到AC转换器称为逆变器。逆变器是一种将固定的直流电源电压转换为可变的交流电压的静态设备。
在这里，固定的直流电压是由电池或大多数电力电子转换器中的直流链路获得的。逆变器的输出可以是可变/固定交流电压，可变/固定频率。
这种从直流到交流的转换以及可变电源是通过改变晶闸管的触发角来产生的。用于逆变器的晶闸管大多采用强制换相技术。
这些可以是单相或三相逆变器，取决于电源电压。这些转换器主要分为两类。一种是基于PWM的逆变器和其他多电平逆变器。
进一步，这些分类为电压源逆变器和电流源逆变器。每种类型又细分为不同类型，如PWM, SVPWM等。多级逆变器在工业应用中越来越受欢迎。
该逆变器克服了基于PWM的逆变器的缺点。
(阅读:家用逆变器］
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