電力電子

電力設(shè)備制造業(yè)大體包括發(fā)電設(shè)備行業(yè)、輸變電一次設(shè)備行業(yè)、二次設(shè)備行業(yè)、電力環(huán)保行業(yè)四個(gè)子行業(yè)。電力設(shè)備行業(yè)的發(fā)展依托電力工業(yè)的發(fā)展，電力投資的規(guī)模和方向直接影響電力設(shè)備行業(yè)的發(fā)展。

2008年隨著電力下游需求的減少，電力行業(yè)新增生產(chǎn)能力同比減少；可再生能源發(fā)電容量增加，其中以風(fēng)電發(fā)電容量增加幅度最大；設(shè)備變電容量增加；發(fā)電設(shè)備利用方面，傾向于利用可再生能源發(fā)電設(shè)備。

2008年11月初，中央為擴(kuò)大內(nèi)需促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)推出4萬(wàn)億投資計(jì)劃和十項(xiàng)措施，在2008年四季度新增的1千億投資中，就有40億元用于城市電網(wǎng)和農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)。2008年11月14日，國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)公布了其年內(nèi)和未來(lái)兩年的電網(wǎng)投資具體額度。受投資計(jì)劃刺激，電力設(shè)備行業(yè)未來(lái)兩年的業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)基本沒(méi)有懸念，與其他受益投資拉動(dòng)概念的板塊不同，兩大電網(wǎng)在第一時(shí)間公布了投資額度，讓電力設(shè)備行業(yè)的利好率先有了保證。

電力電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)控制加節(jié)能，將“粗電”變?yōu)椤凹?xì)電”來(lái)用。電力電子器件制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),我國(guó)在這個(gè)環(huán)節(jié)與國(guó)外差距比較大。 我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家總體能源利用效率差10%,工業(yè)能耗主要是電能消耗,占能源消耗總量的45%,遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平的23%。未來(lái)五年節(jié)能將成為國(guó)家支柱型戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。保守估計(jì)2020年節(jié)能產(chǎn)值將是2010年的13倍。

應(yīng)用技術(shù)高頻化（20kHz以上）、硬件結(jié)構(gòu)集成模塊化（單片集成模塊、混合集成模塊）、軟件控制數(shù)字化和產(chǎn)品性能綠色化（無(wú)電磁干擾和對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染），是當(dāng)前電力電子新技術(shù)產(chǎn)品的四大發(fā)展方向。

電力電子電力電子器件發(fā)展趨勢(shì)

高頻化、集成化、模塊化和智能化是電力電子器件未來(lái)的主要發(fā)展方向。

（1）隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，對(duì)電力電子器件性能指標(biāo)和可靠性的要求也日益苛刻。具體而言，要求電力電子器件具有更大的電流密度、更高的工作溫度、更強(qiáng)的散熱能力、更高的工作電壓、更低的通態(tài)壓降、更快的開關(guān)時(shí)間，而對(duì)于航天和軍事應(yīng)用，還要求有更強(qiáng)的抗輻射能力和抗振動(dòng)沖擊能力。特別是航天、航空、艦船、輸變電、機(jī)車、裝甲車輛等使用條件惡劣的應(yīng)用領(lǐng)域，以上要求更為迫切。

（2）未來(lái)幾年中，盡管以硅為半導(dǎo)體材料的雙極功率器件和場(chǎng)控功率器件已趨于成熟，但是各種新結(jié)構(gòu)和新工藝的引入，仍可使其性能得到進(jìn)一步提高和改善，Coolmos、各種改進(jìn)型IGBT和IGCT均有相當(dāng)?shù)纳透?jìng)爭(zhēng)力。

（3）電力電子器件的智能化應(yīng)用也在不斷研究中取得了實(shí)質(zhì)成果。一些國(guó)外制造企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了相應(yīng)的IPM智能化功率模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、運(yùn)行可靠性高，并具有自診斷和保護(hù)的功能。

（4）新型高頻器件碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件正在迅速發(fā)展，一些器件有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)實(shí)現(xiàn)商品化，總部位于美國(guó)北卡羅來(lái)納的CREE公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用的SiC二極管和MOSFET 。但由于材料和制造工藝方面的問(wèn)題，還需要大量的研究投入和時(shí)間才能逐步解決，北卡州立大學(xué)的FREEDM中心正在對(duì)此技術(shù)進(jìn)行研究 。

電力電子電力電子設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

由于環(huán)境、能源、社會(huì)和高效化的要求，電力電子設(shè)備和系統(tǒng)正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、智能化、全數(shù)字控制、系統(tǒng)化及綠色化方向發(fā)展。

（1）在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，以各種電力半導(dǎo)體器件為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將展開競(jìng)爭(zhēng)且共同發(fā)展。晶閘管及其派生器件仍將壟斷特大功率領(lǐng)域。

（2）以IGBT為主功率器件的整流器和逆變器可提高效率、減小噪聲，減輕設(shè)備的重量、減少體積，將廣泛應(yīng)用于工業(yè)（電機(jī)變頻、電焊機(jī)，工業(yè)加熱，電鍍電源、儲(chǔ)能裝置等）、家用電器（電磁爐，商用電磁爐，變頻空調(diào)，變頻冰箱等）和新能源（風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車等）等。

（3）以IGCT為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將有可能逐步取代晶閘管。

（4）以MOSFET為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將在中低功率領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

（5）諧振變流器技術(shù)將廣泛應(yīng)用，新的控制技術(shù)及手段將在電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，并進(jìn)一步提高電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的性能和檔次。

（6）電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中的電磁干擾（EMI）控制、PWM傳動(dòng)系統(tǒng)中的軸電流和軸電壓等難題將取得突破性進(jìn)展。

（7）未來(lái)電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用熱點(diǎn)是：變頻調(diào)速、智能電網(wǎng)、汽車電子、信息和辦公自動(dòng)化、家用特種電源、牽引用特種電源、新能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能及燃料電源)等。

電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。具體說(shuō)，就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。所用的電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱為功率半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)所變換的“電力”，功率可以大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下。

電力電子涉及由半導(dǎo)體開關(guān)啟動(dòng)裝置進(jìn)行電源的控制與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。半導(dǎo)體整流控制、半導(dǎo)體硅整的小型化等的出現(xiàn)，產(chǎn)生一個(gè)新的電力電子應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體硅整流、汞弧整流器應(yīng)用于控制電源，但是這樣的整流回路只是工業(yè)電子的一部分，對(duì)于汞弧整流器應(yīng)用范圍而言是有局限的。半導(dǎo)體硅整流的應(yīng)用涉及很多領(lǐng)域，如汽車、電站、航空電子、高頻變頻器等。

第1章　電力電子技術(shù)概述　1

1.1　電力電子技術(shù)的概念　1

1.2　電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容　2

1.2.1　電力電子器件　3

1.2.2　電力電子電路　4

1.2.3　電力電子電路的控制　6

1.2.4　電力電子裝置　8

1.3　電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r　9

1.4　電力電子技術(shù)的應(yīng)用　12

1.4.1　電力電子變換電源　12

1.4.2　電力電子補(bǔ)償控制器　15

小結(jié)　19

習(xí)題　19

第2章　電力電子器件與應(yīng)用　20

2.1　電力電子器件概述　20

2.1.1　電力電子器件的概念和特征　20

2.1.2　電力電子器件的分類　21

2.1.3　電力電子器件的主要技術(shù)指標(biāo)　22

2.2　不可控器件——電力二極管　22

2.2.1　電力二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理　22

2.2.2　電力二極管的主要特性　23

2.2.3　電力二極管的主要參數(shù)　23

2.3　半控型器件——晶閘管　25

2.3.1　晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理　25

2.3.2　晶閘管的主要特性　27

2.3.3　晶閘管的主要參數(shù)　28

2.3.4　晶閘管的門極觸發(fā)電路　31

2.3.5　晶閘管的派生器件　31

2.4　全控型器件　32

2.4.1　門極可關(guān)斷晶閘管　32

2.4.2　功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管　35

2.4.3　絕緣柵雙極型晶體管　38

2.4.4　集成門極換流晶閘管　41

2.4.5　智能功率模塊　44

2.5　電力電子器件的保護(hù)　45

2.5.1　過(guò)電壓保護(hù)　45

2.5.2　過(guò)電流保護(hù)　46

2.5.3　緩沖電路　47

2.5.4　器件溫度控制　49

小結(jié)　51

習(xí)題　52

第3章　DC/DC變換電路　54

3.1　概述　54

3.2　單管非隔離變換電路　55

3.2.1　Buck變換器　56

3.2.2　Boost變換器　59

3.2.3　Boost/Buck變換器　62

3.2.4　Cuk變換器　63

3.2.5　Zeta變換器　64

3.2.6　Sepic變換器　64

3.2.7　非隔離變換電路的比較　65

3.3　單管隔離式變換電路　65

3.3.1　單端反激變換器　65

3.3.2　單端正激變換器　68

3.4　多管變換電路　70

3.4.1　推挽變換器　70

3.4.2　半橋變換器　70

3.4.3　全橋變換器　71

3.4.4　隔離變換電路的比較　71

3.5　雙向變換器　72

3.5.1　Buck/Boost雙向變換器　72

3.5.2　Cuk雙向變換器　72

3.5.3　三相Buck/Boost雙向變換器　73

小結(jié)　74

習(xí)題　74

第4章　AC/DC變換電路　76

4.1　概述　76

4.1.1　整流電路的分類　76

4.1.2　整流電路的學(xué)習(xí)方法　77

4.2　相控整流電路　78

4.2.1　相控整流電路一般結(jié)構(gòu)　78

4.2.2　單相可控整流電路　78

4.2.3　三相可控整流電路　90

4.2.4　變壓器漏感對(duì)相控整流電路的影響　100

4.2.5　相控整流電路的設(shè)計(jì)方法及舉例　103

4.3　PWM整流電路　105

4.3.1　PWM整流器的簡(jiǎn)單原理　106

4.3.2　PWM整流器的分類　107

4.3.3　電壓型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)　108

4.3.4　電流型PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)　109

4.3.5　三相VSR的電流控制技術(shù)　110

4.3.6　三相VSR的其他控制策略　112

小結(jié)　114

習(xí)題　114

第5章　DC/AC變換電路　117

5.1　概述　117

5.1.1　逆變電路的分類　118

5.1.2　DC/AC變換的工作原理　118

5.1.3　逆變電路的換流方式　119

5.2　電壓型DC/AC變換電路　121

5.2.1　電壓型單相逆變電路　121

5.2.2　電壓型三相全橋式逆變電路　125

5.3　電流型DC/AC變換電路　128

5.3.1　電流型單相橋式逆變電路　128

5.3.2　電流型三相橋式逆變電路　128

5.4　諧振式逆變電路　129

5.4.1　電壓型串聯(lián)諧振逆變電路　130

5.4.2　電流型并聯(lián)諧振逆變電路　132

5.5　DC/AC變換的多重化技術(shù)　134

5.5.1　電壓型逆變器的多重化　134

5.5.2　電流型逆變器的多重化　136

5.5.3　單元串聯(lián)型高壓逆變器　137

5.5.4　多電平型高壓逆變器　139

5.6　變頻器　140

5.6.1　變頻器的構(gòu)成及基本功能　141

5.6.2　變頻器的控制方式　143

小結(jié)　143

習(xí)題　144

第6章　AC/AC變換電路　145

6.1　交流電力電子開關(guān)　145

6.2　單相交流調(diào)壓電路　146

6.2.1　相控式單相交流調(diào)壓電路　146

6.2.2　斬控式單相交流調(diào)壓電路　149

6.3　三相交流調(diào)壓電路　151

6.3.1　三相相控式交流調(diào)壓電路　151

6.3.2　三相斬控式交流調(diào)壓　152

6.4　交流調(diào)功電路　153

6.5　交-交變頻電路　154

6.5.1　單相交-交變頻電路原理　154

6.5.2　交-交變頻電路的調(diào)制方式　156

6.5.3　交-交變頻電路的控制　158

6.5.4　交-交變頻電路的工作特性　159

6.5.5　三相交-交變頻電路　160

6.6　矩陣式變頻電路　163

小結(jié)　164

習(xí)題　165

第7章　PWM控制技術(shù)　166

7.1　PWM控制的基本原理　166

7.2　PWM控制的分類　167

7.3　SPWM控制　170

7.4　馬鞍波PWM的調(diào)制原理　172

7.5　兩電平SVPWM控制　174

7.5.1　兩電平逆變器的空間電壓矢量　175

7.5.2　兩電平SVPWM算法　176

7.6　三電平載波PWM控制　177

7.6.1　三角載波層疊法　178

7.6.2　優(yōu)化PWM方法　181

7.7　三電平SVPWM控制　182

7.7.1　三電平逆變器的空間電壓矢量　182

7.7.2　基本矢量及其對(duì)中點(diǎn)電壓的影響　184

7.7.3　三電平SVPWM控制的算法　186

小結(jié)　191

習(xí)題　191

附錄　英文縮寫　192

參考文獻(xiàn)　1942100433B

電力電子技術(shù)作為電能高效變換和高效利用的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、新能源發(fā)電、現(xiàn)代化交通、航空航天、信息系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為一門系統(tǒng)科學(xué)——電力電子學(xué)。本書由四部分組成，第壹部分是電力電子學(xué)的預(yù)備知識(shí)；第二部分是基本電力電子變換器原理和設(shè)計(jì)；第三部分是電力電子變換器的通用技術(shù)；第四部分是電力電子變換器的應(yīng)用。

電力電子學(xué)預(yù)備知識(shí)

學(xué)習(xí)電力電子學(xué)課程需要先修電路理論、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)等課程。

電力電子學(xué)學(xué)習(xí)資料