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ω来表示正弦波的频率，ω=2πf。
正弦被的初相角以φ表示。
正弦电压的方程为 正弦电流的方程为 在工程上，为了计算方便，常将正弦波的初相角ф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