電力電子技術

本書是“十三五”江蘇省高等學校重點教材，也是全國部分理工類地方本科院校聯盟規劃的應用型教材之一。全書貫徹“理論與應用相統一、教學與實際相結合、工程應用特點明顯”的思想，介紹了電力電子器件、基本變換電路、主要控制技術及典型應用案例。全書共分九章。第1章緒論，講述電力電子技術的基本概念、開關變流原理、電力電子技術的主要應用等。第2章電力電子器件，對各種器件的結構進行簡要介紹，着重介紹其外特性、工作原理和主要參數，並結合一些品牌器件的參數樣本，給出器件參數查閲和選擇的方法。第3章講述應用電力電子器件時涉及的驅動、保護及串/並聯問題。第4～7章講述四大類變換電路（AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC）的基本理論，並在每一章後給出典型應用案例，介紹其在工程中的具體應用。第8章講述PSIM仿真軟件的使用方法。第9章為電力變換電路綜合應用案例，講述雙PWM變頻器主電路、控制電路設計的基本方法和思路；分析了典型不間斷電源UPS的應用電路。 本書可作為工程應用型高等院校電氣工程及其自動化、自動化專業本科生教材，也可作為從事電力電子技術工作的工程技術人員的參考用書。

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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 一般工業中的電力電子技術6

1.2.3 電力系統中的電力電子技術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下的優勢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 功率二極管的靜態特性18

2.2.3 功率二極管的動態特性18

2.2.4 功率二極管的參數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 晶閘管的靜態伏安特性25

2.3.3 晶閘管的動態特性25

2.3.4 晶閘管的參數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的靜態特性33

2.5.3 GTR的動態特性33

2.5.4 GTR的主要參數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的靜態特性36

2.6.3 功率MOSFET的動態特性37

2.6.4 功率MOSFET的主要參數39 ^[1] 

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的靜態特性42

2.7.3 IGBT的動態特性43

2.7.4 IGBT的主要參數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 電力電子器件的研製水平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 發光測試法49

2.10 IGBT的雙脈衝測試法49

2.10.1 雙脈衝實驗的電路及設備49

2.10.2 雙脈衝實驗的基本過程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 電力電子器件的緩衝電路63

3.4 電力電子器件的串聯與並聯65

3.4.1 電力電子器件的串聯65

3.4.2 電力電子器件的並聯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 基於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並聯的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 換相期間基本的數量關係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117

4.6.1 整流電路對電網產生的影響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中的應用128

4.8.2 可控整流電路在冶金熔鍊電源中的應用129

4.8.3 城市軌道交通供電系統整流機組的電路131

4.8.4 晶閘管可逆直流調速系統132

本章小結133

思考題與習題133 ^[1] 

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 逆變電路的脈寬調製(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 異步調製和同步調製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 複合斬波電路和多相、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枱燈中的應用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開發平台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 ^[1]