电力电子技术与器件应用

前言

第1章绪论 1

1.1电力电子系统的构成 l

1.1.1电能变换需求 1

1.1.2应用实例——降压斩波电路 2

1.1.3 PWM波形的产生原理 4

1.1.4电力电子系统的构成与

主要指标 6

1.2现代电力电子技术的特点 lO

1.2.1 电力电子集成电路的形态 10

1.2.2广泛使用自动控制技术进行电量

稳定控制 l2

1.2.3在开关控制信号产生和电量自动

控制中采用微处理器技术 23

1.3主要分析方法 23

1.3.1波形分析法 23

1.3.2物理实验法 24

1.3.3数学模型分析法 24

1.3.4 MATLAB数字仿真方法 25

本章小结 26

习题与思考题 27

动手操作问题 27

第2章电力电子开关原理与使用 29

2.1 独立电力电子器件开关过程分析与

各种开关形态 29

2. 1.1理想开关与开关损耗 29

2.1.2电力电子开关的实际开关特性 31

2.1.3具体开关类型分类 33

2.2实际电力电子器件 35

2.2.1电力晶体管 35

2.2.2电力场效应晶体管 37

2.2.3绝缘栅双极型晶体管 40

2.3电力电子器件的驱动 42

2.3.1 电力电子器件驱动电路概述 42

2.3.2 CTR的驱动电路 42

2.3.3 MOSFET和IGBT的驱动电路 43

2.4电力电子器件的保护 49

2.4.1故障的种类 49

2.4.2器件的保护 51

本章小结 55

习题与思考题 56

动手操作问题 57

第3章基于斩波原理的可控直流电路、

集成模块与装置 58

3.1直流斩波电路与应用模块 58

3. 1.1升压斩波电路 58

3.1.2升降压斩波电路 65

3.1.3半桥式可逆斩波电路 65

3.1.4桥式斩波电路 66

3.2 DC- DC变换模块 72

3.2.1技术情况 72

3.2.2模块电源的选择与应用 73

3.2.3模块电源应用注意事项 74

3.3开关电源 75

3.3.1开关电源的基本工作原理 75

3.3.2隔离式高频变换电路 78

3.4有源功率因数校正器 86

3.4.1 有源电力滤波器和有源功率因数

校正器 86

3.4.2有源功率因数校正技术的应用 89

3.5 DC- DC变换器反馈控制器设计 91

3.5.1 DC- DC变换器的建模 92

3.5.2控制器设计 93

本章小结 97

习题与思考题 98

动手操作问题 98

第4章直流-32流变换器——

逆变技术 100

4.1 逆变类型与方波脉冲宽度调制

（PWM） -：100

4.1.1 电压源型和电流源型逆变电路 100

4.1.2电压源型单相全桥式方波逆

变器 100

4.1.3三相桥式方波逆变电路 105

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宽度调制（SPWM）控制 108

4.2.1 SPWM原理 108

4.2.2 SPWM的单极性控制与双极性

控制 110

4.3三相电压型PWM逆变器 ll3

4.3.1三相电压型SPWM逆变器 114

4.3.2其他三相电压型逆变器的PWM

控制方式 118

4.4电流型逆变器 120

4.4.1单相电流型PWM逆变器电路 120

4.4.2三相电流型PWM逆变器电路 121

4.4.3电流型PWM逆变器的控制

策略 121

4.5空间矢量PWM 122

4.5.1 空间矢量脉冲宽度调制

( SVPWM)的工作原理 122

4.5.2 SVPWM算法的实现 125

4.6用于变频器的逆变器制动与制动

电阻 131

4.6.1用于变频器的逆变器制动 13l

4.6.2逆变器制动电阻选择方法 l32

4.7基于智能功率模块(IPM)的桥式

电路技术 135

4.7.1 IPM模块 -135

4.7.2与光耦合器的连接 138

本章小结 一l44

习题与思考题 145

动手操作问题 145

第5章基于PWM方法的可控

整流技术 147

5.1同步整流 一147

5.1.1应用同步整流技术的原因 l47

5.1.2同步整流的基本原理 1钾

5.2同步整流电路的分类 148

5.2.1 自驱动同步整流电路 l48

5.2.2控制驱动同步整流电路 149

5.3电压型PWM整流电路 155

5.3.1单相电压型PWM整流电路拓扑

结构和工作原理 156

5.3.2单相电压型PWM整流电路的运行

方式 ”l59

5.3.3三相电压型PWM整流电路 160

5.4电流型PWM整流电路 l61

5.4.1单相电流型PWM整流器拓扑

结构 162

5.4.2三相电流型PWM整流器拓扑

结构 162

5.5PWM整流电路的控制 162

5.5.1直流电压控制 一163

5.5.2交流电流控制 一l63

5.6带有源前端的能量回馈变频器 168

5.6.1工作原理 168

5.6.2 PWM整流电路的更多控制策略 170

5.6.3双PWM变流电路的整体控制

策略 ”l70

本章小结 一173

习题与思考题 174

动手操作问题 一175

第6章交流·交流电能变换的主要

技术 l76

6.1双向开关构成 一176

6. 2斩控式交流调压电路 l79

6. 2.1单相斩控式交流调压电路 179

6.2.2三相斩控式交流调压电路 180

6.3交一交矩阵变换器 182

6.3.1矩阵变换器的拓扑结构 182

6.3.2矩阵变换器的开关传递函数 l84

6.4矩阵变换器的控制策略 185

6.4.1直接函数法 l86

6.4.2空间矢量调制法 186

6.4.3双电压控制法 187

6.4.4电流滞环跟踪控制法 187

6.5矩阵变换器的换流方法 188

6.5.1四步换流策略 l89

6.5.2两步换流策略 190

6.5.3智能换流策略 193

本章小结 193

习题与思考题 l94

动手操作问题 194

附录 ”195

附录A部分大学生电子设计竞赛题 195

附录B部分电力电子元器件参数 205

参考文献 217 2100433B

对电力电子器件从应用角度进行讲解；专门讲解其驱动技术，以促进应用；通过简单的各种电能变换电路讲解说明电力电子技术的基本技术和基本方法，对于典型的四开关桥式电路或六开关桥式电路，则分别对其各方面的应用加以讲解以明确其异同；最后详细讲解在开关电源和变频器中的应用；每一章都有课外实验指导，便于学习者课外研修和深造

《光电器件基础与应用》内容分为两大部分，第一部分介绍各种半导体发光、受光器件的基本知识，以及在传感技术、测量技术中的应用；第二部分主要介绍以0PIC为代表的、发光器件与受光器件的组合应用，例如光耦合器、光断续器、固体继电器、IrDA器等。《光电器件基础与应用》内容与时俱进，实用性强，可以作为半导体器件、光电子、传感技术等专业本科生、研究生的教学参考书，也可供相关领域工程技术人员参考。

1902年出现了第一个玻璃的汞弧整流器。1910年出现了铁壳汞弧整流器。用汞弧整流器代替机械式开关和换流器,这是电力电子技术的发端。1920年试制出氧化铜整流器，1923年出现了硒整流器。30年代，这些整流器开始大量用于电力整流装置中。20世纪40年代末出现了晶体管。20世纪50年代初，晶体管向大功率化发展，同时用半导体单晶材料制成的大功率二极管也得到发展。1954年，瑞典通用电机公司（ASEA公司）首先将汞弧管用于高压整流和逆变,并在±100千伏直流输电线路上应用，传输20兆瓦的电力。1956年，美国人J.莫尔制成晶闸管雏型。1957年，美国人R.A.约克制成实用的晶闸管。50年代末晶闸管被用于电力电子装置，60年代以来得到迅速推广,并开发出一系列派生器件,拓展了电力电子技术的应用领域。 　电力电子电路 　随着晶闸管应用的推广，开发出许多电力电子电路，按其功能可分为：①将交流电能转换成直流电能的整流电路；②将直流电能转换成交流电能的逆变电路；③将一种形式的交流电能转换成另一种形式的交流电能的交流变换电路；④将一种形式的直流电能转换成另一种形式的直流电能的直流变换电路。这些电路都包含晶闸管，而每个晶闸管都需要相应的触发器。于是配合这些电力电子电路出现了许多的触发控制电路。根据所用的器件,这些控制电路大体上可以分为3代。第一代的控制电路主要由分立的电子元件（如晶体管、二极管）组成。直到80年代后期，还用得不少。第二代由集成电路组成。自从1958年美国出现了世界上第一个集成电路以来，发展异常迅速。它应用到电力电子装置的控制电路中,使其结构紧凑,功能和可靠性得到提高。第三代由微机进行控制。70年代以来，由于微机的发展使电力电子装置进一步朝实现智能化的方向进步。电力电子装置随着电力电子电路的发展和完善，由晶闸管组成的许多类型的电力电子装置不断出现。如大功率的电解电源、焊接电源、电镀用的直流电源；直流和交流牵引、直流传动、交流串级调速、变频调速等传动用电源；励磁、无功静止补偿、谐波补偿等电力系统用的电力电子装置；低频、中频、高频电源等各种非工频电源，尤其是感应加热的中高频电源；不停电电源、交流稳压电源等各种工业用电力电子电源；各种调压器等等。这些电力电子装置,与传统的电动机-发电机组比，有较高的电效率(以容量10千瓦至数百千瓦、频率为1000赫的电动机-发电机组为例,在额定负载下,效率η=80%，并随负载减小而显著降低,若用晶闸管电源,η≥92%,且随负载变化不大），因此，有明显的节能效果。电力电子装置是静止式装置，占地面积小，重量轻，安装方便（以焊接电源为例,与旋转焊机相比，重量减轻80%,节能15%）。同时，电力电子装置往往对频率、电压等的调节比较容易，响应快，功能多，自动化程度高，因此用于工业上不但明显节能，还往往能提高生产率和产品质量，节省原材料，并常能改善工作环境。但电力电子装置大多为电子开关式装置，它往往对电网和负载产生谐波干扰，有时还对周围环境引起一定的高频干扰，这是在设计这些装置和系统时必须妥善解决的（见高次谐波抑制）。