课程负责人：宋平岗

授课教师：胡文华、杨丰萍、倪勇、张建辉

2020年11月24日，该课程被中华人民共和国教育部认定为“首批国家级一流本科课程”。 2100433B

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

第1章　电力电子技术概述　1

1.1　电力电子技术的概念　1

1.2　电力电子技术的主要内容　2

1.2.1　电力电子器件　3

1.2.2　电力电子电路　4

1.2.3　电力电子电路的控制　6

1.2.4　电力电子装置　8

1.3　电力电子技术的发展状况　9

1.4　电力电子技术的应用　12

1.4.1　电力电子变换电源　12

1.4.2　电力电子补偿控制器　15

小结　19

习题　19

第2章　电力电子器件与应用　20

2.1　电力电子器件概述　20

2.1.1　电力电子器件的概念和特征　20

2.1.2　电力电子器件的分类　21

2.1.3　电力电子器件的主要技术指标　22

2.2　不可控器件——电力二极管　22

2.2.1　电力二极管的结构与工作原理　22

2.2.2　电力二极管的主要特性　23

2.2.3　电力二极管的主要参数　23

2.3　半控型器件——晶闸管　25

2.3.1　晶闸管的结构与工作原理　25

2.3.2　晶闸管的主要特性　27

2.3.3　晶闸管的主要参数　28

2.3.4　晶闸管的门极触发电路　31

2.3.5　晶闸管的派生器件　31

2.4　全控型器件　32

2.4.1　门极可关断晶闸管　32

2.4.2　功率场效应晶体管　35

2.4.3　绝缘栅双极型晶体管　38

2.4.4　集成门极换流晶闸管　41

2.4.5　智能功率模块　44

2.5　电力电子器件的保护　45

2.5.1　过电压保护　45

2.5.2　过电流保护　46

2.5.3　缓冲电路　47

2.5.4　器件温度控制　49

小结　51

习题　52

第3章　DC/DC变换电路　54

3.1　概述　54

3.2　单管非隔离变换电路　55

3.2.1　Buck变换器　56

3.2.2　Boost变换器　59

3.2.3　Boost/Buck变换器　62

3.2.4　Cuk变换器　63

3.2.5　Zeta变换器　64

3.2.6　Sepic变换器　64

3.2.7　非隔离变换电路的比较　65

3.3　单管隔离式变换电路　65

3.3.1　单端反激变换器　65

3.3.2　单端正激变换器　68

3.4　多管变换电路　70

3.4.1　推挽变换器　70

3.4.2　半桥变换器　70

3.4.3　全桥变换器　71

3.4.4　隔离变换电路的比较　71

3.5　双向变换器　72

3.5.1　Buck/Boost双向变换器　72

3.5.2　Cuk双向变换器　72

3.5.3　三相Buck/Boost双向变换器　73

小结　74

习题　74

第4章　AC/DC变换电路　76

4.1　概述　76

4.1.1　整流电路的分类　76

4.1.2　整流电路的学习方法　77

4.2　相控整流电路　78

4.2.1　相控整流电路一般结构　78

4.2.2　单相可控整流电路　78

4.2.3　三相可控整流电路　90

4.2.4　变压器漏感对相控整流电路的影响　100

4.2.5　相控整流电路的设计方法及举例　103

4.3　PWM整流电路　105

4.3.1　PWM整流器的简单原理　106

4.3.2　PWM整流器的分类　107

4.3.3　电压型PWM整流器拓扑结构　108

4.3.4　电流型PWM整流器拓扑结构　109

4.3.5　三相VSR的电流控制技术　110

4.3.6　三相VSR的其他控制策略　112

小结　114

习题　114

第5章　DC/AC变换电路　117

5.1　概述　117

5.1.1　逆变电路的分类　118

5.1.2　DC/AC变换的工作原理　118

5.1.3　逆变电路的换流方式　119

5.2　电压型DC/AC变换电路　121

5.2.1　电压型单相逆变电路　121

5.2.2　电压型三相全桥式逆变电路　125

5.3　电流型DC/AC变换电路　128

5.3.1　电流型单相桥式逆变电路　128

5.3.2　电流型三相桥式逆变电路　128

5.4　谐振式逆变电路　129

5.4.1　电压型串联谐振逆变电路　130

5.4.2　电流型并联谐振逆变电路　132

5.5　DC/AC变换的多重化技术　134

5.5.1　电压型逆变器的多重化　134

5.5.2　电流型逆变器的多重化　136

5.5.3　单元串联型高压逆变器　137

5.5.4　多电平型高压逆变器　139

5.6　变频器　140

5.6.1　变频器的构成及基本功能　141

5.6.2　变频器的控制方式　143

小结　143

习题　144

第6章　AC/AC变换电路　145

6.1　交流电力电子开关　145

6.2　单相交流调压电路　146

6.2.1　相控式单相交流调压电路　146

6.2.2　斩控式单相交流调压电路　149

6.3　三相交流调压电路　151

6.3.1　三相相控式交流调压电路　151

6.3.2　三相斩控式交流调压　152

6.4　交流调功电路　153

6.5　交-交变频电路　154

6.5.1　单相交-交变频电路原理　154

6.5.2　交-交变频电路的调制方式　156

6.5.3　交-交变频电路的控制　158

6.5.4　交-交变频电路的工作特性　159

6.5.5　三相交-交变频电路　160

6.6　矩阵式变频电路　163

小结　164

习题　165

第7章　PWM控制技术　166

7.1　PWM控制的基本原理　166

7.2　PWM控制的分类　167

7.3　SPWM控制　170

7.4　马鞍波PWM的调制原理　172

7.5　两电平SVPWM控制　174

7.5.1　两电平逆变器的空间电压矢量　175

7.5.2　两电平SVPWM算法　176

7.6　三电平载波PWM控制　177

7.6.1　三角载波层叠法　178

7.6.2　优化PWM方法　181

7.7　三电平SVPWM控制　182

7.7.1　三电平逆变器的空间电压矢量　182

7.7.2　基本矢量及其对中点电压的影响　184

7.7.3　三电平SVPWM控制的算法　186

小结　191

习题　191

附录　英文缩写　192

参考文献　1942100433B

前言

第1章 绪论1

内容提要1

本章内容导入1

1.1 电力电子技术的概念与发展1

1.1.1 电力电子技术的概念1

1.1.2 电力电子技术的研究内容2

1.1.3 电力电子技术的发展4

1.2 电力电子技术的应用6

1.2.1 电源设计中的电力电子技术6

1.2.2 一般工业中的电力电子技术6

1.2.3 电力系统中的电力电子技术7

1.2.4 交通运输中的电力电子技术8

1.2.5 家用电器中的电力电子技术8

1.2.6 新能源发电中的电力电子技术9

1.3 电力电子技术课程的基本要求及仿真软件10

1.3.1 电力电子技术课程的基本要求10

1.3.2 电力电子技术常用的仿真软件10

第2章 电力电子器件13

内容提要13

本章内容导入13

2.1 概述13

2.1.1 理想开关特性14

2.1.2 实际开关与损耗15

2.1.3 电力电子器件工作在高频开关状态下的优势16

2.2 功率二极管16

2.2.1 功率二极管的结构及工作原理17

2.2.2 功率二极管的静态特性18

2.2.3 功率二极管的动态特性18

2.2.4 功率二极管的参数20

2.2.5 功率二极管的主要类型22

2.3 晶闸管22

2.3.1 晶闸管的结构及工作原理23

2.3.2 晶闸管的静态伏安特性25

2.3.3 晶闸管的动态特性25

2.3.4 晶闸管的参数27

2.3.5 晶闸管的派生器件30

2.4 门极关断晶闸管31

2.5 电力晶体管32

2.5.1 GTR的结构和工作原理32

2.5.2 GTR的静态特性33

2.5.3 GTR的动态特性33

2.5.4 GTR的主要参数34

2.6 功率场效应晶体管34

2.6.1 功率MOSFET的结构和工作原理34

2.6.2 功率MOSFET的静态特性36

2.6.3 功率MOSFET的动态特性37

2.6.4 功率MOSFET的主要参数39

2.7 绝缘栅双极晶体管(IGBT)41

2.7.1 IGBT的结构和工作原理41

2.7.2 IGBT的静态特性42

2.7.3 IGBT的动态特性43

2.7.4 IGBT的主要参数43

2.8 功率集成模块44

2.8.1 二极管模块44

2.8.2 晶闸管模块44

2.8.3 MOSFET和IGBT模块44

2.8.4 智能功率模块(IPM)45

2.8.5 电力电子器件的研制水平46

2.9 晶闸管的典型测试方法46

2.9.1 万用表测试法47

2.9.2 发光测试法49

2.10 IGBT的双脉冲测试法49

2.10.1 双脉冲实验的电路及设备49

2.10.2 双脉冲实验的基本过程50

本章小结54

思考题与习题55

第3章 电力电子器件应用基础56

内容提要56

本章内容导入56

3.1 电力电子器件的基本驱动电路56

3.1.1 晶闸管的门极驱动电路57

3.1.2 电流型全控器件的驱动58

3.1.3 电压型全控器件的驱动60

3.2 电力电子器件的保护61

3.2.1 过电压保护61

3.2.2 过电流保护63

3.3 电力电子器件的缓冲电路63

3.4 电力电子器件的串联与并联65

3.4.1 电力电子器件的串联65

3.4.2 电力电子器件的并联66

3.5 电力电子器件驱动与保护典型应用电路67

3.5.1 三相晶闸管智能控制模块67

3.5.2 集成化驱动芯片及电路介绍68

3.6 2SC0106T集成芯片及其驱动电路设计73

3.6.1 2SC0106T芯片介绍73

3.6.2 基于2SC0106T的驱动电路设计76

本章小结79

思考题与习题79

第4章 交流-直流变换电路81

内容提要81

本章内容导入81

4.1 单相可控整流电路81

4.1.1 单相半波可控整流电路82

4.1.2 单相桥式全控整流电路86

4.1.3 单相桥式半控整流电路90

4.1.4 单相全波可控整流电路92

4.2 三相可控整流电路93

4.2.1 三相半波共阴极可控整流电路94

4.2.2 三相半波共阳极可控整流电路98

4.2.3 三相桥式全控整流电路99

4.3 大功率可控整流电路106

4.3.1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路106

4.3.2 两组三相桥式整流电路并联的12脉波相控整流电路108

4.3.3 两组三相桥式整流电路串联的12脉波相控整流电路109

4.4 考虑变压器漏感的整流电路110

4.4.1 换相过程与换相重叠角110

4.4.2 换相期间基本的数量关系111

4.4.3 变压器漏感对整流电路的影响112

4.5 有源逆变电路112

4.5.1 有源逆变的概念112

4.5.2 三相桥式整流电路的有源逆变工作状态115

4.5.3 逆变失败与最小逆变角的限制116

4.6 整流电路的谐波和功率因数117

4.6.1 整流电路对电网产生的影响117

4.6.2 整流电路的谐波分析基础118

4.6.3 交流侧谐波和功率因数分析119

4.6.4 直流侧输出电压和电流的谐波分析120

4.7 电压型PWM整流器122

4.7.1 电压型单相PWM整流器122

4.7.2 电压型三相PWM整流器126

4.8 可控整流电路的典型应用案例128

4.8.1 可控整流电路在高压直流输电系统中的应用128

4.8.2 可控整流电路在冶金熔炼电源中的应用129

4.8.3 城市轨道交通供电系统整流机组的电路131

4.8.4 晶闸管可逆直流调速系统132

本章小结133

思考题与习题133

第5章 直流-交流变换电路136

内容提要136

本章内容导入136

5.1 逆变电路概述137

5.1.1 逆变电路的基本工作原理137

5.1.2 逆变电路的基本类型137

5.1.3 逆变电路的控制方式138

5.2 电压型方波逆变电路138

5.2.1 单相电压型逆变电路138

5.2.2 三相桥式电压型方波逆变电路140

5.3 电流型方波逆变电路143

5.3.1 单相桥式电流型逆变电路143

5.3.2 三相桥式电流型逆变电路144

5.4 逆变电路的多重化及多电平化145

5.4.1 多重逆变电路145

5.4.2 多电平逆变电路147

5.5 逆变电路的脉宽调制(PWM)控制技术149

5.5.1 SPWM控制的基本原理149

5.5.2 SPWM的生成方法150

5.5.3 异步调制和同步调制152

5.6 电压正弦SPWM逆变电路153

5.6.1 单相桥式SPWM逆变电路153

5.6.2 三相桥式SPWM逆变电路155

5.7 电流跟踪SPWM控制技术156

5.7.1 电流跟踪SPWM控制原理156

5.7.2 三相电流滞环控制型SPWM逆变电路157

5.8 逆变电路的典型应用案例158

5.8.1 逆变电路在超声波电源中的应用158

5.8.2 逆变电源在感应加热电源中的应用159

5.8.3 逆变电路在变频器中的应用160

5.8.4 逆变电路在有源电力滤波器中的应用162

5.8.5 逆变电路在直流输电系统中的应用164

本章小结165

思考题与习题165

第6章 直流-直流变换电路167

内容提要167

本章内容导入167

6.1 概述167

6.1.1 直流斩波的基本工作原理168

6.1.2 直流斩波电路的基本控制方式168

6.1.3 DC-DC变换电路的分类169

6.1.4 直流斩波电路中电感、电容的基本特性169

6.2 非隔离型斩波电路170

6.2.1 降压斩波电路170

6.2.2 升压斩波电路172

6.2.3 升降压斩波电路174

6.2.4 Cuk斩波电路175

6.2.5 Sepic斩波电路177

6.2.6 Zeta斩波电路178

6.3 复合斩波电路和多相、多重斩波电路179

6.3.1 电流可逆斩波电路180

6.3.2 桥式可逆斩波电路180

6.3.3 多相多重斩波电路181

6.4 隔离型斩波电路182

6.4.1 正激变换电路182

6.4.2 反激变换电路185

6.4.3 半桥型变换电路186

6.4.4 全桥型变换电路187

6.5 直流-直流变换电路的典型应用案例189

6.5.1 Boost电路在LED应急照明电路中的应用189

6.5.2 反激式电路在手机充电器中的应用191

6.5.3 多相多重升压斩波技术在船用逆变器中的应用193

本章小结194

思考题与习题194

第7章 交流-交流变换电路196

内容提要196

本章内容导入196

7.1 单相交流调压电路196

7.1.1 单相相控式交流调压电路196

7.1.2 单相斩控式交流调压电路201

7.2 三相交流调压电路202

7.2.1 三相相控式交流调压电路202

7.2.2 三相斩控式交流调压电路204

7.3 交流调功电路及电力电子开关205

7.3.1 交流调功电路205

7.3.2 晶闸管交流开关206

7.4 交-交变频电路207

7.4.1 单相交-交变频电路207

7.4.2 三相交-交变频电路210

7.5 交流-交流变换电路典型应用案例212

7.5.1 交流调压电路在调光台灯中的应用212

7.5.2 交流调压电路在电动机软起动器中的应用214

7.5.3 电力电子开关在静止无功补偿装置中的应用215

本章小结216

思考题与习题217

第8章 PSIM仿真软件的应用218

内容提要218

本章内容导入218

8.1 PSIM仿真软件介绍218

8.1.1 PSIM使用介绍218

8.1.2 PSIM软件的元件选取219

8.2 直流斩波电路的仿真221

8.2.1 降压斩波电路仿真(CCM模式)221

8.2.2 升压斩波电路仿真(CCM模式)222

8.3 整流电路仿真224

8.3.1 单相桥式全控整流电路仿真224

8.3.2 三相桥式全控整流电路仿真225

8.4 单相桥式逆变电路仿真228

8.5 单相斩控式交流调压电路仿真230

第9章 电力变换电路综合应用案例232

内容提要232

本章内容导入232

9.1 双PWM变频器硬件电路设计232

9.1.1 双PWM变频器硬件总体结构233

9.1.2 主电路设计234

9.1.3 DSP开发平台238

9.1.4 信号处理电路239

9.2 典型不间断电源实例电路分析241

9.2.1 UPS不间断电源系统组成241

9.2.2 各个模块的电路原理242

本章小结245

参考文献246