Полупроводниковые преобразователи электрической энергии

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В.А. ПРОХОРОВ

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика 
и электротехника» (квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 8 от 22.06.2020)

УДК 621.314(075.8)
ББК 31.264.5я73
 
П84

Прохоров В.А.
П84  
Полупроводниковые преобразователи электрической энергии : 
учебное пособие / В.А. Прохоров. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
315 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1019082.

ISBN 978-5-16-015168-7 (print)
ISBN 978-5-16-107663-7 (online)
В учебном пособии рассмотрены необходимость, принципы и методы 
взаимного преобразования параметров электрической энергии на постоянном и переменном токе для стационарных и автономных объектов. Описаны особенности работы элементов силовой электроники в специфических 
условиях их непрерывного высокочастотного переключения. Рассмотрены 
слаботочные системы управления, обеспечивающие необходимую логику 
работы исполнительных силовых устройств преобразователей. Приведено 
большое количество конкретных практических электрических схем преобразователей электрической энергии.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 
«Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно для аспирантов и специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией преобразователей электрической энергии.

УДК 621.314(075.8)
ББК 31.264.5я73

Р е ц е н з е н т ы:
Фомин А.П., кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника» Московского политехнического университета;
Грибков С.В., кандидат технических наук, генеральный директор 
ООО «НИЦ ВИНДЭК», академик Российской инженерной академии

ISBN 978-5-16-015168-7 (print)
ISBN 978-5-16-107663-7 (online)
© Прохоров В.А., 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Большинство современных потребителей электрической энергии 
обладают такими свойствами, которые могут быть реализованы только путем включения в них встроенных преобразователей параметров 
первичных источников питания. К таким источникам можно отнести 
промышленную или автономную сеть переменного тока со стандартным напряжением 380/220В и частотой 50Гц, авиационную сеть с параметрами 200/115В и 400Гц, аккумуляторные и солнечные батареи и 
другие электрохимические источники тока различного типа. 
В качестве примера можно привести известные всем бытовые потребители электрической энергии: осветительные, нагревательные, 
холодильники, стиральные машины, кухонные комбайны, телевизоры, 
радиоприемники, музыкальные центры, компьютеры и другие. Только 
первые три из них потребляют электрическую энергию с теми параметрами, которые заложены в бытовых электрических сетях. Это однофазное напряжение 220 В с частотой 50 Гц. Если же, например, 
осветительные приборы оборудованы светорегуляторами, то даже они 
требуют установки в них встроенных тиристорных преобразователей 
уровня напряжения. Каждая современная бытовая энергосберегающая 
светодиодная лампа оснащена встроенным миниатюрным индивидуальным регулятором (стабилизатором) напряжения. Все остальные 
перечисленные потребители всегда требуют преобразования параметров электрической сети. Так, например, современные стиральные машины, работающие в автоматическом режиме, выполняют одну заданную оператором программу из многих возможных. При этом электропривод рабочего органа машины должен регулировать в широких 
пределах частоту его вращения, а также обеспечивать его реверс. Без 
устройства преобразования параметров электрической энергии выполнение этой функции невозможно. 
Все перечисленные выше современные бытовые электронные 
устройства как потребители электрической энергии, требуют, как правило, следующих этапов ее преобразования: понижения величины 
напряжения с помощью трансформаторов с одновременным получением нескольких новых уровней, преобразования переменного 
напряжения в постоянное (выпрямления) с одновременной его фильтрацией, стабилизации полученных постоянных напряжений. Такие 
узлы современных электронных приборов, как электроприводы механизмов видео- и звуковоспроизведения, электроприводы в компьютерах и их периферийных устройствах, копировальных аппаратах требуют преобразователей для питания прецизионных бесконтактных 
электродвигателей. Все упомянутые выше преобразователи являются 
встроенными внутри тех или иных механизмов. 
Широкое применение преобразователи электрической энергии 
находят на автономных объектах, в частности, на автомобилях с ком

бинированными энергоустановками, электромобилях и других транспортных средствах. К ним можно отнести такие классические относительно маломощные устройства, как электронные системы зажигания, 
регуляторы напряжения бортовых генераторов, системы впрыска топлива, электроприводы. На современных автомобилях количество 
электроприводов исчисляется уже десятками. Кроме названных классических потребителей на борту автомобилей устанавливаются такие 
новые потребители электрической энергии, как бортовые компьютеры, системы видеонаблюдения, радиолокаторы и системы навигации. 
Все они также требуют стабилизированных вторичных источников 
питания. 
Особое, первостепенное место в электромобилях, автомобилях с 
комбинированными энергоустановками и, в частности, большегрузных автомобилях занимают мощные электроприводы силовых установок. Через них, как правило, проходит весь поток электрической 
энергии от источника питания до колес, и от них зависят практически 
все эксплуатационные характеристики таких транспортных средств. 
Очень широко применяются преобразователи электрической энергии на борту летательных аппаратов различного назначения. Там они 
выполняют такие функции, как обеспечение параллельной работы 
генераторов и аккумуляторных батарей, солнечных и аккумуляторных 
батарей, обеспечение питанием систем связи и навигации, систем 
жизнеобеспечения и многие другие. 
Самое широкое применение преобразователи электрической энергии находят в электроприводах современных станков с числовым программным управлением и роботов, в системах электротехнологии и 
многих других областях техники. Можно приводить еще много примеров использования таких преобразователей, но и приведенных уже 
достаточно, чтобы оценить их роль и место в современной технике. 
По преобразователям электрической энергии существует много 
публикаций. Но все они, как правило, охватывают только отдельные 
разделы преобразовательной техники и написаны для специалистов 
достаточно высокой квалификации. Ориентироваться студентам в 
таком потоке информации сложно. Данное учебное пособие поможет 
восполнить этот пробел. 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебное пособие состоит из трех частей. В первой из них, под 
названием «Элементы и узлы полупроводниковых преобразователей», 
достаточно подробно изложен материал в следующей последовательности: принципы преобразования электрической энергии; силовые 
элементы преобразовательных устройств; принципы построения полупроводниковых ключей преобразователей; практические схемы полупроводниковых ключей; слаботочные узлы систем управления преобразователями, обеспечивающие необходимую логику их работы. 
Во второй части, под названием «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», рассмотрены как в теоретическом, так 
и в практическом плане такие основные разделы преобразовательной 
техники, как преобразователи переменного напряжения в постоянное 
(выпрямители всех основных типов), преобразователи постоянного 
напряжения в постоянное с измененными параметрами, преобразователи постоянного напряжения в переменное однофазное и трехфазное, 
охлаждение силовых полупроводниковых приборов. 
Третья часть полностью базируется на материалах двух предыдущих и посвящена вопросам схемотехнического решения полупроводниковых преобразователей. Она так и называется – «Схемотехника 
преобразователей». В ней достаточно подробно рассмотрены вопросы 
схемотехнической реализации большого количества как отдельно взятых узлов, так и преобразователей в целом. 
Десятая глава третьей части книги посвящена схемотехнике слаботочных узлов преобразователей. Это задающие генераторы, генераторы пилообразного напряжения, компараторы, модуляторы ширины 
импульсов, распределители импульсов, датчик положения роторов 
для вентильных двигателей, электронный датчик частоты вращения. 
Так как современные электронные устройства базируются на широком ассортименте элементной базы с различными уровнями напряжения питания, в одиннадцатой главе подробно рассмотрены вторичные источники электропитания, обеспечивающие необходимые параметры потребителей. В частности, рассматриваются: бестрансформаторный высокочастотный стабилизированный преобразователь переменного напряжения в постоянное; параметрические стабилизаторы 
постоянного напряжения; компенсационные импульсные стабилизаторы 
напряжения; 
высокочастотный 
двухтактный 
магнитнотранзисторный преобразователь постоянного напряжения повышающего или понижающего типа; системы электроснабжения автомобиля 
на два уровня бортового напряжения; бортовой преобразователь постоянного напряжения автомобиля в переменное однофазное 220 В, 
50 Гц; трехфазный вторичный источник питания стабильной частоты; 
мощный многофункциональный преобразователь постоянного напряжения в переменное трехфазное. 

Двенадцатая глава посвящена нетрадиционным регуляторам электрических параметров в автономных системах электроснабжения. 
Особое внимание в ней уделено вопросам регулирования напряжения 
в системах, реализованных на базе асинхронных двигательгенераторов. 
Все современные электроприводы строятся на базе довольно 
сложных полупроводниковых преобразователей электрической энергии. Такие системы управления электроприводами на автономных 
объектах рассматриваются в тринадцатой главе. Особое внимание в 
ней уделено системам частотного управления электроприводами в 
автономных объектах, выполненными на базе частотноуправляемых 
асинхронных двигатель-генераторов. 
Последняя, четырнадцатая глава книги посвящена актуальным вопросам разработки специальных источников технологического тока 
(ИТТ) в области высоких технологий обработки изделий машиностроения. В частности, приведены схемотехнические решения по созданию специальных источников питания для обработки деталей методами электроэрозионной обработки (ЭЭО), микродугового оксидирования (МДО) и методом электроэрозионного синтеза покрытий 
(ЭЭСП). В этой же главе довольно подробно рассмотрена пусковая 
система зажигания для запуска газотурбинных двигателей (ГТД). 
Все материалы третьей, практической части учебного пособия базируются на собственных разработках автора или выполненных при 
его непосредственном участии. Учебное пособие предназначено для 
студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Книга может быть полезна для аспирантов и 
специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией преобразователей электрической энергии. 
Для изучения материалов данной книги ее пользователям необходимо предварительное изучение таких дисциплин, как раздел физики 
«Электричество», «Электротехника», «Физические основы электроники». 
 
 

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. 
ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ  
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 
 
ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 
 
1.1. Назначение и классификация  
преобразователей электрической энергии 
 
Под преобразователями в дальнейшем будем понимать преобразователи электрической энергии в электрическую же, но с измененными 
параметрами. Параметрами источников электрической энергии являются: 
род тока – переменный или постоянный; 
характер источника – источник ЭДС или источник тока; 
величина напряжения (ЭДС); 
частота; 
число фаз; 
уровень стабильности напряжения. 
Изменение хотя бы одного из указанных параметров будем считать 
преобразованием электрической энергии. В связи со сказанным все 
преобразователи можно классифицировать по следующей укрупненной схеме (рис. 1.1). 
 
1.2. Примеры преобразования параметров 
электрической энергии 
 
Принципы преобразования электрической энергии можно пояснить на следующих примерах. 
Если выход источника постоянного тока через сдвоенный переключатель S1, S2 в соответствии с рисунком 1.2а подключить к 
нагрузке Rн, то, переключая его периодически из положения «1» в 
положение «2», в нагрузке получим переменное напряжение прямоугольной формы в соответствии с рисунком 1.2б. 
Подобные преобразователи вибрационного типа использовались в 
первых отечественных ламповых автомобильных радиоприемников 
по следующей блок-схеме (рис. 1.3).  
 

Рис. 1.1. Классификация преобразователей электрической энергии 
 

 

Рис. 1.2. Принцип получения однофазного переменного  
напряжения из постоянного 

 

 

Рис. 1.3. Блок-схема вибрационного преобразователя 
постоянного напряжения в постоянное повышенного уровня 
 
На рисунке обозначены: 
ПИПТ – первичный источник постоянного тока; 
ЭВП – электровибрационный преобразователь постоянного напряжения в переменное; 
ПТ – повышающий трансформатор; 
В – выпрямитель (преобразователь переменного напряжения в постоянное); 
Ф – фильтр для сглаживания пульсаций напряжения; 
РП – радиоприемник. 
В рассмотренном случае происходит тройное преобразование 
энергии: 
из постоянного в переменное с помощью ЭВП; 
из переменного низкого уровня в переменное повышенного уровня с помощью повышающего трансформатора ПТ; 
вновь из переменного в постоянное с помощью выпрямителя В. 

 

Рис. 1.4. Вариант обобщенной схемы преобразования  
электрической энергии 

На рисунке 1.4 представлена схема более общего случая преобразования параметров электрической энергии. 
Пусть на входе рассматриваемой схемы имеет место трехфазная 
система напряжений с нулевым проводом. Рассмотрим возможные 
комбинации состояния ключей К1 ÷ К19 и соответствующие им параметры напряжения в нагрузке. 
1. 
При замкнутых ключах К1, К5, К9, К10, К11, К14 и К17 
напряжение в нагрузке по своим параметрам полностью повторяет 
напряжение на входе. 
2. 
Если замкнуты только ключи К1, К10, и К11, то на выходе 
получим однофазное напряжение, т.е. имеет место преобразование 
числа фаз. 
3. 
При замкнутых ключах К1, К5, К9, К10, К12, К15 и К18 получаем преобразование трехфазного переменного напряжения с нулевой 
точкой в постоянное. 
4. 
Если замкнуть ключи К1, К5, К9, К10, К12, К15 и К18 и пропустить в нагрузку по одной положительной полуволне 1, 2, 3 (рис. 
1.5) каждой фазы входного напряжения, а затем, разомкнув ключи 
К12, К15 и К18, замкнуть К13, К16 и К19, то в нагрузку попадут отрицательные полуволны 4, 5, 6 исходного напряжения. В целом 
напряжение в нагрузке будет иметь форму, соответствующую рисунку 1.5. 
 

 

Рис. 1.5. Пример преобразования параметров источника  
электрической энергии 
 
Полученное напряжение также является переменным, но более 
низкой частоты. Следовательно, имеет место преобразователь частоты. 
Можно задать другой алгоритм управления ключами К1–К19, получая при этом другие параметры выходного напряжения. На практике роль таких переключателей выполняют быстродействующие тиристоры или транзисторы, работающие в специфических ключевых режимах, которые подробно будут рассмотрены в последующих главах. 
Преобразователи электрической энергии могут быть выполнены на 
базе электрических машин. На рисунке 1.6 приведен пример электро