《电力电子技术 第2版》贺虎成主编；房绪鹏，张玉峰副主编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《电力电子技术 第2版》

【作　者】贺虎成主编；房绪鹏，张玉峰副主编

【页 数】 241

【出版社】 中国矿业大学出版社有限责任公司 , 2021.02

【ISBN号】978-7-5646-4704-9

【价 格】38.00

【分 类】电力电子技术

【参考文献】 贺虎成主编；房绪鹏，张玉峰副主编. 电力电子技术 第2版. 中国矿业大学出版社有限责任公司, 2021.02.

图书封面：

图书目录：

《电力电子技术 第2版》内容提要：

“电力电子技术”课程的研究内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。本书内容主要包括：电力电子电路的分析基础、电力电子器件基本特性与使用方法、交流/直流变换技术直流/交流变换技术、隔离与非隔离的直流/直流变换电路、交流/交流变换技术、软开关变换技术、PWM控制技术和电力电子技术的计算机仿真等。本书根据学科发展和专业需求对课程内容进行更新和调整，注重学科体系的完整性，加强了工程实践和仿真分析，可作为高等院校自动化专业、电气工程及其自动化专业和其他相关专业的本科教材，也可作为研究生、科研及工程技术人员的参考书。

《电力电子技术 第2版》内容试读

第1章绪论

第1章绪论

“电力电子技术”是自动化专业、电气工程及其自动化专业和其他相关专业的一门必修专业基础课，主要涉及各种电力电子器件的工作原理、基本特性、技术参数和各种电力电子电路的基本原理、工作波形、理论计算方法、分析方法、电路设计方法和计算机建模及仿真等内容。

1.1电力电子技术概述

1.1.1电力电子技术的内涵

信息电子技术和电力电子技术作为电子技术的两大分支，二者在电子器件、电路分析等方面的理论基础相近，但应用对象不同。信息电子技术主要用于提取、识别、处理小功率电信号中包含的信息，模拟电子技术、数字电子技术都属于信息电子技术范畴。而电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件，应用电路理论、控制理论对电能进行变换、控制的技术，包括对电压、电流、频率、相数等的变换和控制。

电力电子学(Power Electronics)这一名称是20世纪60年代被提出的。1974年，美国学者W.Newell用图1-1所示的倒三角形对电力电子学进行了描述，认为电力电子学是由电力学、电子学、控制理论三个学科交叉而形成的。这一描述被全世界学者普遍接受。国际电工委员会将电力电子学科命名为“Power Electronics”,中文直译为“电力电子学”。电力电子技术与电力电子学并无实质的不同，只不过前者从工程技术角度而后者从学术角度来称呼所研究的学科。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的。简单地说，电力电子技术是主要研究电力电子器件、电力电子电路及其控制技术、电力电子装置与应用的技术。

电子学

电力学

止

电路、

电力

旋

电子技术电机

连续、离散

控制

理论

图1-1描述电力电子技术的倒三角形

。1

电力电子技术

电力技术（电力学）是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。发电设备将其他形态的能源变为电能，再通过输配电网络将电能送至用电设备，用电设备将电能转变为其他形态的能源。如照明设备将电能转变为光能，电动机将电能转变为机械能用以驱动机械运动，电热设备将电能转变为热能供生活取暖或金属加热冶炼等。电力技术研究的是发电机、变压器、电动机、输配电线路等电力设备，以及利用电力设备来处理电力电路中电能的产生、传输、分配和应用问题。电力电子技术广泛用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系。各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中，因此，通常把电力电子技术归属于电气工程学科。

电子学又称为电子技术，它是与电子器件、电子电路以及由各种电子电路所组成的电子设备和系统有关的科学技术。最早期的电子器件是1904年出现的电子管，它能控制电路的通断和电路中电流的大小。随后发展到晶体管、晶体管集成电路和微处理器。电子技术是研究电子器件以及利用电子器件来处理电子电路中信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题的技术。电子学和电力电子技术都可分为器件和电路两大分支。电力电子器件的制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的，其大多数工艺也是相近的。电力电子电路和电子电路的许多分析方法也是一致的，只是两者应用目的有所不同。但需注意，在信息电子技术中，半导体器件既可处于放大状态，也可处于开关状态；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件一般工作在开关状态。

控制理论以离散和连续两种形式广泛应用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断提高。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口，而控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

1.1.2电力电子变换

电源可分为直流(DC)和交流(AC)两大类，从蓄电池和干电池得到的电能是直流电，从

公用交流电网直接得到的电能是交流电。前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值外还有频率和相位两个要素。而用电设备和负载是各式各样的，实际应用中常常需要在两类电能之间或对同类电能的一个或多个参数（如电压、电流、频率和相位等）进行变换。

以电力电子器件为核心，采用不同的电路拓扑结构和控制方式来实现电能的变换和控制的电路称为电力电子电路，即通常所说的变流电路。电力电子电路主要完成各种电能形式的变换，以电能输人和输出变换的形式来分，主要包括以下四种基本变换：交流/直流变换

(简称AC/DC变换)、直流/交流变换（简称DC/AC变换）、直流/直流变换（简称DC/DC变

换)和交流/交流变换（简称AC/AC变换）。研究实现这些变换的电路结构及其工作原理是

电力电子技术的重要内容。

(1)AC/DC变换

AC/DC变换把交流电变换成稳定或可调的直流电，这种变换一般也称为整流，包括

不可控整流和可控整流，对应的变换装置称为整流器。AC/DC变换应用于充电、电镀、电

解和直流电动机的速度调节等方面。传统的可控整流利用晶闸管的相控技术来实现，其控制简单、运行可靠、可应用于超大功率的场合，但可控整流容易产生低次谐波，造成电网严重污染，同时对电网呈感性负载，功率因数较低。20世纪80年代后期，将脉冲宽度

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第1章绪论

调制(PWM)技术引入整流器的控制中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单位功率

因数。

(2)DC/AC变换

DC/AC变换把直流电变换成频率和电压均可调的交流电，这种变换与整流相反，也称

为逆变，对应的变换装置称为逆变器。当逆变器的交流输出接电网时，称为有源逆变；当逆变器的交流输出连接负载时，称为无源逆变。逆变器的输出可以是恒频，如恒压恒频电源或不间断供电电源；逆变器的输出也可以是变频，如各种变频电源、中频感应加热电源和交流电动机的变频调速等

(3)AC/AC变换

AC/AC变换把一种形式的交流电变换成另一种频率、电压固定或可调的交流电，主要

有交流调压和交/交变频两种基本形式。交流调压只改变交流电压而频率不变，常应用于调温、调光、交流电动机的调压调速等场合；交/交变频则将交流电直接转变成其他频率的交流电，电压和频率均可调节，完成交/交变频的电力电子装置称为周波变换器，主要用于大功率交流变频调速装置。

(4)DC/DC变换

DC/DC变换将一种幅值固定或变化的直流电压变换成幅值可调或恒定的另一个直流

电压，也称为直流斩波，对应的变换装置称为斩波器。DC/DC变换常用于开关电源、仪表电

源、电池管理、光伏发电、直流电机调速等。

1.1.3电力电子电路控制

依据电力电子器件特性及器件开通与关断控制方案的不同，电力电子电路的控制技术

可分为相位控制、频率控制和PWM控制。

(1)相位控制

相位控制通过控制电力电子器件在一个开关周期中开通的时刻来调节输出电能，主要用于采用电网换流的晶闸管电路。晶闸管整流和交流调压电路均为这种控制方式。

(2)频率控制

频率控制利用控制信号的幅值变化来改变器件开关信号的频率，以实现器件开关频率

的控制，这种控制方式多用于DC/AC变换电路中。

(3)PWM控制

PWM控制通过直接控制在一个开关周期中电力电子器件开通与关断的时间比例来调

节输出电能，主要用于采用全控器件的电力电子电路。PWM技术可用于逆变、斩波、整流、

交流电力控制，已成为主流控制方法，使电力电子电路的控制性能大为改善，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。

1.1.4电力电子器件

电力电子器件又称功率半导体器件，是用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流数十至数千安，电压数百伏以上)电子器件，主要包括电力二极管、晶闸管及其派生器

件、大功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(P-MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

等。相对信息电子器件，电力电子器件要承受较高的电压和较大的电流。

1.1.4.1电力电子器件的发展

1956年美国贝尔(BELL)电话公司发明了可触发晶体管，1957年美国通用电气公司

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电力电子技术

(GE)对其进行了商业化开发，并命名为晶体闸流管，简称为晶闸管(thyristor)或可控硅(silicon controlled rectifier,SCR)。经过20世纪60年代的完善和发展，晶闸管已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。

20世纪70年代后期开始，以门极可关断晶闸管(GTO)、大功率双极型晶体管(GTR)

和功率场效应管(P-MOSFET)为代表的全控型器件得到迅速发展。可关断晶闸管(GTO)

具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大等；同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲

电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。70年代大功率晶体管(GTR)已进入工业应用

阶段，80年代晶体管的性能变得更好，使用也更方便，被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工作频率比晶闸管大为提高，达林顿功率晶体管可在10kHz以下工作非达林顿功率晶体管可达20kHz,但其缺点在于存在二次击穿和不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，使其应用受到了限制。70年代后期，功率场效应管开始进入实用阶段，标志着电力电子器件进入高频化阶段。80年代研制的垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶

体管(VDMOS)具有工作频率高、开关损耗小、安全工作区宽、几乎不存在二次击穿、输入阻

抗高、电压型驱动、易并联的特点，是高频化的主要器件，但VDMOS的导通电阻大这一缺

点限制了它在高频大、中功率领域的应用。

20世纪80年代后期，以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件快速发展。

IGBT是MOSFET和GTR的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和

GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术

的主导器件。集成门极换流晶闸管(IGCT)于20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与

GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电

路，只不过所需的驱动功率仍很大。

20世纪80年代中后期，另一重要的发展是功率集成电路(PIC)的研制成功，PIC在制

造过程中，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。

1.1.4.2电力电子器件的特点

电力电子器件可直接用于处理电能，实现电能的变换与控制，同处理信息的电子器件相比，具有以下特点。

①电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。电力电子器件工作时不断在导通和关断状态之间切换，其动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面。电路分析时，一般用理想开关来代替，忽略切换过程。

②电力电子器件具有较大的功率损耗。电力电子器件尽管工作在开关状态，但其处理的电功率较大，具有较大的导通电流和阻断电压。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗；阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗；这些电力电子器件自身的功率损耗通常远大于只用于处理信息的电子器件，为了避免因损耗散发的热量导致温度过高而损坏电力电子器件，不仅在器件封装上要考虑散热设计，而且在其工作时一般都

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第1章绪论

还需要设计安装散热器

③需要专门的驱动电路实现控制。电力电子器件在装置中通常连接于主电路，而主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大后传递到主电路，这就是电力电子器件的驱动电路。

④电力电子器件需要缓冲电路和保护电路。电力电子器件主要工作在高速切换状态，切换过程中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件承受过电压和过电流的能力却要差

一些，因此，在主电路和控制电路中需附加一些缓冲电路和保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子装置正常可靠运行。

1.1.4.3电力电子器件的分类

电力电子器件一般有三个端子（也称极或管脚），其中两个连接在主电路，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。

(1)按控制程度分

根据能被驱动（触发）电路输出控制信号所控制的程度，可将电力电子器件分为不可控器件、半控型器件和全控型器件

①不可控器件是不能用控制信号来控制其开通和关断的电力电子器件，如电力二极管。此类器件的开通和关断完全由其在主电路中承受的电压、电流决定。对电力二极管来说，加正向阳极电压，二极管导通；加反向阳极电压，则二极管关断。

②半控型器件是能利用控制信号控制器件导通，但不能控制器件关断的电力电子器件。晶闸管及其大多数派生器件都为半控型器件，它们的开通由触发电路的触发脉冲来控制，而关断则只能由其在主电路中承受的电压、电流或其他辅助换流电路来完成

③全控型器件是能利用控制信号控制器件导通，也能控制器件关断的电力电子器件，通常也称为自关断器件。大功率晶体管(giant transistor,GTR)、门极可关断晶闸管(gateturn-off thyristor,GTO)、功率场效应晶体管(power MOSFET,P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)等都是全控型器件。

(2)按驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质不同分

按驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质不同，电力电子器件可分为电流驱动型和电压驱动型

①电流驱动型器件通过从控制端注人或者抽出电流来实现器件的导通或者关断，如

SCR、大功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)。

②电压驱动型器件仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现器

件的导通或者关断，如功率场效应晶体管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。

(3)按载流子类型分

根据参与导电的载流子类型不同，电力电子器件可分为单极型、双极型和复合型器件

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电力电子技术

三类。

通过半导体器件的电流由器件内部的电子或空穴作为载体，只有电子或只有空穴参与

导电的器件称为单极型器件，如功率MOSFET。同时有电子、空穴参与导电的器件称为双

极型器件，如GTR。由单极型器件与双极型器件复合而成的器件称为复合型器件，如IG

BT。单极型器件只有多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，因而开通、关断时间

短。同时，单极型器件的输人阻抗很高，二次击穿的可能性极小。然而，单极型器件的不足之处是通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。单极型器件适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备。双极型器件的特点是，通态压降较低、阻断电压高、电压和电流额定值较高，因此适用于大中容量的变流设备。

(4)按驱动信号的波形分

按照驱动信号的波形（电力二极管除外）电力电子器件可分为脉冲触发型和电平控制型两类。

脉冲触发型器件通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者

关断控制，如SCR和GTO。电平控制型器件必须通过持续在控制端和公共端之间施加一

定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态，如

IGBT、P-MOSFET、GTR

1.1.5电力电子技术的应用

随着新理论、新器件、新技术的不断涌现，特别是与微电子技术的日益融合，电力电子技术的应用领域不断地得以拓展。目前，电力电子技术已广泛应用于电机控制系统、电解电镀、感应加热、电力系统、新能源发电、灯光照明、家用电器、办公自动化和航空航天航海等领域。

1.1.5.1在电机控制系统中的应用

电机控制技术的发展与电力电子技术和计算机控制技术的进步紧密联系，电力电子器件和计算机构成了电机控制系统的物质基础。电力电子器件的作用更为关键，可以说新一代的器件带来了新一代的变换器，又推动了新一代电机控制系统的形成和发展。

(1)变流器耦合供电的直流电动机调速系统

由于直流电动机中产生转矩的电枢电流和励磁磁通两个要素相互没有耦合，可通过相应电流分别控制，因此直流电动机调速易获得良好的控制性能及快速的动态响应，过去在变速传动领域中一直占据主导地位。

晶闸管构成的静止直流电源装置，其结构简单、技术成熟、动静态特性好、效率高，便于实现四象限运行和自动控制，已广泛应用于直流电动机调速系统，应用实例有矿井提升机、轧钢机、回转窑和龙门刨等电气设备的电控系统。

(2)绕线式异步电动机串级调速系统

绕线式异步电动机转子也可以进行功率传递，构成转差功率控制的调速系统。在串级调速系统中，电机转子侧接入一个三相不可控整流器，将交流滑差功率转换为直流形式，由电源侧的三相全控桥工作在有源逆变状态，吸收滑差功率返回电网。由于电机转子侧采用了不可控整流器，决定了滑差功率流动方向只能是从电机转子到电网，使电机转速从同步转速向下调节。串级调速系统结构简单、调速性能好、节能效果显著。

(3)笼型异步电动机的变频调速

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···试读结束···