電力電子技術教師團隊

課程負責人：宋平崗

授課教師：胡文華、楊豐萍、倪勇、張建輝

2020年11月24日，該課程被中華人民共和國教育部認定為“首批國家級一流本科課程”。 2100433B

電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術不同電力電子技術主要用于電力變換。

第1章　電力電子技術概述　1

1.1　電力電子技術的概念　1

1.2　電力電子技術的主要內容　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　電力電子技術的發(fā)展狀況　9

1.4　電力電子技術的應用　12

1.4.1　電力電子變換電源　12

1.4.2　電力電子補償控制器　15

小結　19

習題　19

第2章　電力電子器件與應用　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指標　22

2.2　不可控器件——電力二極管　22

2.2.1　電力二極管的結構與工作原理　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　晶閘管的結構與工作原理　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　門極可關斷晶閘管　32

2.4.2　功率場效應晶體管　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　45

2.5.1　過電壓保護　45

2.5.2　過電流保護　46

2.5.3　緩沖電路　47

2.5.4　器件溫度控制　49

小結　51

習題　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　74

習題　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　整流電路的學習方法　77

4.2　相控整流電路　78

4.2.1　相控整流電路一般結構　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　變壓器漏感對相控整流電路的影響　100

4.2.5　相控整流電路的設計方法及舉例　103

4.3　PWM整流電路　105

4.3.1　PWM整流器的簡單原理　106

4.3.2　PWM整流器的分類　107

4.3.3　電壓型PWM整流器拓撲結構　108

4.3.4　電流型PWM整流器拓撲結構　109

4.3.5　三相VSR的電流控制技術　110

4.3.6　三相VSR的其他控制策略　112

小結　114

習題　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　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　變頻器的構成及基本功能　141

5.6.2　變頻器的控制方式　143

小結　143

習題　144

第6章　AC/AC變換電路　145

6.1　交流電力電子開關　145

6.2　單相交流調壓電路　146

6.2.1　相控式單相交流調壓電路　146

6.2.2　斬控式單相交流調壓電路　149

6.3　三相交流調壓電路　151

6.3.1　三相相控式交流調壓電路　151

6.3.2　三相斬控式交流調壓　152

6.4　交流調功電路　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　164

習題　165

第7章　PWM控制技術　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　基本矢量及其對中點電壓的影響　184

7.7.3　三電平SVPWM控制的算法　186

小結　191

習題　191

附錄　英文縮寫　192

參考文獻　1942100433B

前言

第1章 緒論1

內容提要1

本章內容導入1

1.1 電力電子技術的概念與發(fā)展1

1.1.1 電力電子技術的概念1

1.1.2 電力電子技術的研究內容2

1.1.3 電力電子技術的發(fā)展4

1.2 電力電子技術的應用6

1.2.1 電源設計中的電力電子技術6

1.2.2 一般工業(yè)中的電力電子技術6

1.2.3 電力系統(tǒng)中的電力電子技術7

1.2.4 交通運輸中的電力電子技術8

1.2.5 家用電器中的電力電子技術8

1.2.6 新能源發(fā)電中的電力電子技術9

1.3 電力電子技術課程的基本要求及仿真軟件10

1.3.1 電力電子技術課程的基本要求10

1.3.2 電力電子技術常用的仿真軟件10

第2章 電力電子器件13

內容提要13

本章內容導入13

2.1 概述13

2.1.1 理想開關特性14

2.1.2 實際開關與損耗15

2.1.3 電力電子器件工作在高頻開關狀態(tài)下的優(yōu)勢16

2.2 功率二極管16

2.2.1 功率二極管的結構及工作原理17

2.2.2 功率二極管的靜態(tài)特性18

2.2.3 功率二極管的動態(tài)特性18

2.2.4 功率二極管的參數(shù)20

2.2.5 功率二極管的主要類型22

2.3 晶閘管22

2.3.1 晶閘管的結構及工作原理23

2.3.2 晶閘管的靜態(tài)伏安特性25

2.3.3 晶閘管的動態(tài)特性25

2.3.4 晶閘管的參數(shù)27

2.3.5 晶閘管的派生器件30

2.4 門極關斷晶閘管31

2.5 電力晶體管32

2.5.1 GTR的結構和工作原理32

2.5.2 GTR的靜態(tài)特性33

2.5.3 GTR的動態(tài)特性33

2.5.4 GTR的主要參數(shù)34

2.6 功率場效應晶體管34

2.6.1 功率MOSFET的結構和工作原理34

2.6.2 功率MOSFET的靜態(tài)特性36

2.6.3 功率MOSFET的動態(tài)特性37

2.6.4 功率MOSFET的主要參數(shù)39

2.7 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)41

2.7.1 IGBT的結構和工作原理41

2.7.2 IGBT的靜態(tài)特性42

2.7.3 IGBT的動態(tài)特性43

2.7.4 IGBT的主要參數(shù)43

2.8 功率集成模塊44

2.8.1 二極管模塊44

2.8.2 晶閘管模塊44

2.8.3 MOSFET和IGBT模塊44

2.8.4 智能功率模塊(IPM)45

2.8.5 電力電子器件的研制水平46

2.9 晶閘管的典型測試方法46

2.9.1 萬用表測試法47

2.9.2 發(fā)光測試法49

2.10 IGBT的雙脈沖測試法49

2.10.1 雙脈沖實驗的電路及設備49

2.10.2 雙脈沖實驗的基本過程50

本章小結54

思考題與習題55

第3章 電力電子器件應用基礎56

內容提要56

本章內容導入56

3.1 電力電子器件的基本驅動電路56

3.1.1 晶閘管的門極驅動電路57

3.1.2 電流型全控器件的驅動58

3.1.3 電壓型全控器件的驅動60

3.2 電力電子器件的保護61

3.2.1 過電壓保護61

3.2.2 過電流保護63

3.3 電力電子器件的緩沖電路63

3.4 電力電子器件的串聯(lián)與并聯(lián)65

3.4.1 電力電子器件的串聯(lián)65

3.4.2 電力電子器件的并聯(lián)66

3.5 電力電子器件驅動與保護典型應用電路67

3.5.1 三相晶閘管智能控制模塊67

3.5.2 集成化驅動芯片及電路介紹68

3.6 2SC0106T集成芯片及其驅動電路設計73

3.6.1 2SC0106T芯片介紹73

3.6.2 基于2SC0106T的驅動電路設計76

本章小結79

思考題與習題79

第4章 交流-直流變換電路81

內容提要81

本章內容導入81

4.1 單相可控整流電路81

4.1.1 單相半波可控整流電路82

4.1.2 單相橋式全控整流電路86

4.1.3 單相橋式半控整流電路90

4.1.4 單相全波可控整流電路92

4.2 三相可控整流電路93

4.2.1 三相半波共陰極可控整流電路94

4.2.2 三相半波共陽極可控整流電路98

4.2.3 三相橋式全控整流電路99

4.3 大功率可控整流電路106

4.3.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路106

4.3.2 兩組三相橋式整流電路并聯(lián)的12脈波相控整流電路108

4.3.3 兩組三相橋式整流電路串聯(lián)的12脈波相控整流電路109

4.4 考慮變壓器漏感的整流電路110

4.4.1 換相過程與換相重疊角110

4.4.2 換相期間基本的數(shù)量關系111

4.4.3 變壓器漏感對整流電路的影響112

4.5 有源逆變電路112

4.5.1 有源逆變的概念112

4.5.2 三相橋式整流電路的有源逆變工作狀態(tài)115

4.5.3 逆變失敗與最小逆變角的限制116

4.6 整流電路的諧波和功率因數(shù)117

4.6.1 整流電路對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響117

4.6.2 整流電路的諧波分析基礎118

4.6.3 交流側諧波和功率因數(shù)分析119

4.6.4 直流側輸出電壓和電流的諧波分析120

4.7 電壓型PWM整流器122

4.7.1 電壓型單相PWM整流器122

4.7.2 電壓型三相PWM整流器126

4.8 可控整流電路的典型應用案例128

4.8.1 可控整流電路在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應用128

4.8.2 可控整流電路在冶金熔煉電源中的應用129

4.8.3 城市軌道交通供電系統(tǒng)整流機組的電路131

4.8.4 晶閘管可逆直流調速系統(tǒng)132

本章小結133

思考題與習題133

第5章 直流-交流變換電路136

內容提要136

本章內容導入136

5.1 逆變電路概述137

5.1.1 逆變電路的基本工作原理137

5.1.2 逆變電路的基本類型137

5.1.3 逆變電路的控制方式138

5.2 電壓型方波逆變電路138

5.2.1 單相電壓型逆變電路138

5.2.2 三相橋式電壓型方波逆變電路140

5.3 電流型方波逆變電路143

5.3.1 單相橋式電流型逆變電路143

5.3.2 三相橋式電流型逆變電路144

5.4 逆變電路的多重化及多電平化145

5.4.1 多重逆變電路145

5.4.2 多電平逆變電路147

5.5 逆變電路的脈寬調制(PWM)控制技術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 異步調制和同步調制152

5.6 電壓正弦SPWM逆變電路153

5.6.1 單相橋式SPWM逆變電路153

5.6.2 三相橋式SPWM逆變電路155

5.7 電流跟蹤SPWM控制技術156

5.7.1 電流跟蹤SPWM控制原理156

5.7.2 三相電流滯環(huán)控制型SPWM逆變電路157

5.8 逆變電路的典型應用案例158

5.8.1 逆變電路在超聲波電源中的應用158

5.8.2 逆變電源在感應加熱電源中的應用159

5.8.3 逆變電路在變頻器中的應用160

5.8.4 逆變電路在有源電力濾波器中的應用162

5.8.5 逆變電路在直流輸電系統(tǒng)中的應用164

本章小結165

思考題與習題165

第6章 直流-直流變換電路167

內容提要167

本章內容導入167

6.1 概述167

6.1.1 直流斬波的基本工作原理168

6.1.2 直流斬波電路的基本控制方式168

6.1.3 DC-DC變換電路的分類169

6.1.4 直流斬波電路中電感、電容的基本特性169

6.2 非隔離型斬波電路170

6.2.1 降壓斬波電路170

6.2.2 升壓斬波電路172

6.2.3 升降壓斬波電路174

6.2.4 Cuk斬波電路175

6.2.5 Sepic斬波電路177

6.2.6 Zeta斬波電路178

6.3 復合斬波電路和多相、多重斬波電路179

6.3.1 電流可逆斬波電路180

6.3.2 橋式可逆斬波電路180

6.3.3 多相多重斬波電路181

6.4 隔離型斬波電路182

6.4.1 正激變換電路182

6.4.2 反激變換電路185

6.4.3 半橋型變換電路186

6.4.4 全橋型變換電路187

6.5 直流-直流變換電路的典型應用案例189

6.5.1 Boost電路在LED應急照明電路中的應用189

6.5.2 反激式電路在手機充電器中的應用191

6.5.3 多相多重升壓斬波技術在船用逆變器中的應用193

本章小結194

思考題與習題194

第7章 交流-交流變換電路196

內容提要196

本章內容導入196

7.1 單相交流調壓電路196

7.1.1 單相相控式交流調壓電路196

7.1.2 單相斬控式交流調壓電路201

7.2 三相交流調壓電路202

7.2.1 三相相控式交流調壓電路202

7.2.2 三相斬控式交流調壓電路204

7.3 交流調功電路及電力電子開關205

7.3.1 交流調功電路205

7.3.2 晶閘管交流開關206

7.4 交-交變頻電路207

7.4.1 單相交-交變頻電路207

7.4.2 三相交-交變頻電路210

7.5 交流-交流變換電路典型應用案例212

7.5.1 交流調壓電路在調光臺燈中的應用212

7.5.2 交流調壓電路在電動機軟起動器中的應用214

7.5.3 電力電子開關在靜止無功補償裝置中的應用215

本章小結216

思考題與習題217

第8章 PSIM仿真軟件的應用218

內容提要218

本章內容導入218

8.1 PSIM仿真軟件介紹218

8.1.1 PSIM使用介紹218

8.1.2 PSIM軟件的元件選取219

8.2 直流斬波電路的仿真221

8.2.1 降壓斬波電路仿真(CCM模式)221

8.2.2 升壓斬波電路仿真(CCM模式)222

8.3 整流電路仿真224

8.3.1 單相橋式全控整流電路仿真224

8.3.2 三相橋式全控整流電路仿真225

8.4 單相橋式逆變電路仿真228

8.5 單相斬控式交流調壓電路仿真230

第9章 電力變換電路綜合應用案例232

內容提要232

本章內容導入232

9.1 雙PWM變頻器硬件電路設計232

9.1.1 雙PWM變頻器硬件總體結構233

9.1.2 主電路設計234

9.1.3 DSP開發(fā)平臺238

9.1.4 信號處理電路239

9.2 典型不間斷電源實例電路分析241

9.2.1 UPS不間斷電源系統(tǒng)組成241

9.2.2 各個模塊的電路原理242

本章小結245

參考文獻246