第1章绪论
自1891年世界首次采用交流输电以来，交流电就成为送达用户端的主要电能形式，但用电负载有直流负载和交流负载两大类，相应的供电电源就需要直流和交流两种形式，因此电能需要变换。
随着越来越多非线性负载的使用，供电质量变得越来越差；而随着各种用电设备或单元的数字化、信息化和多样化发展，需要的电源种类、等级和质量要求却不断提高。因此，更需要对电能进行高质量的变换。
早期，把交流电变换为直流电经历了机械整流器、闸流管整流器和引燃管整流器的阶段。1900年美国纽约地铁列车供电电源就采用机械整流器从交流电网中获取直流电源；1928年，实用化的闸流管整流器使直流输出端的电压可以不随交流输入电压的波动而变化，随后闸流管和引燃管整流器的应用得到很大重视。1935年，高压直流输电在美国纽约得以实现。在整个30年代直到40年代后期，这两种器件大量应用于高功率变换的场合。
1957年，美国通用电气公司发明了硅可控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR) ，简称可控硅，后被国际电工学会正式命名为晶闸管(Thyristor)。晶闸管的问世，不仅可把交流电变换为直流电，还能把直流电变换为交流电和其它特殊的电能形式。从此，新型电力电子器件不断涌现，性能不断提高，并各具电气特性和使用特点，以适应不同的应用领域和电能变换电路的设计要求。
把各种电力电子器件实用、高效、可靠地应用于电能变换系统，是电力电子应用技术的研究任务。
2000年，IEEE终身会士、美国电力电子学会前主席Thomas G. Wilson 给电力电子技术重新下了一个定义：电力电子技术是通过静止的手段对电能进行有效的转换、控制和调节，从而把可利用的输入电能形式变成所希望的输出电能形式的技术(Power electronics is the technology associated with the efficient conversion, control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form)。IEEE电力电子学会在网站上(网址为https://www.doczj.com/doc/7c18259549.html,)给出的定义是：电力电子技术是把电子电路应用到电能变换中的技术。它包括电子器件的使用、电路理论的研究和设计技术的应用，以及为提高变换效果所需各种分析工具的开发。
从定义可见，电力电子技术与电力电子应用技术的研究内容似乎没有什么区别。本书把电力电子元器件的设计、制造和封装等归入电力电子技术的范畴，而不归入电力电子应用技
术的范畴。所以，本书重在研究电力电子元器件的合理使用，使其高效、实用、可靠地控制电能变换；重在对电能变换电路的设计、电力电子系统的控制、以及电力电子技术在工业中应用的研究。
1.1电力电子应用技术的主要内容
电力电子应用技术，是关于各种电能变换的拓扑电路、控制理论和工业应用技术，是变换装置的设计技术，是分析设计工具的开发利用技术。
1.电能变换的基本形式与电路拓扑
在电力电子应用技术中，不同的电能变换形式要求不同的拓扑电路。根据电能变换的输入输出形式，可以分为直流－直流变换器(DC/DC)、直流－交流变换器(DC/AC)、交流－直流变换器(AC/DC)和交流－交流变换器(AC-AC) 四种基本形式。
DC/DC变换器常见的有Buck 变换器(常称降压斩波器)、Boost变换器(常称升压斩波器)、Buck/Boost变换器(常称升降压斩波器)、Cuk变换器、隔离式的Buck变换器－正激变换器、推挽变换器、桥式变换器，以及隔离式的Buck/Boost变换器－反激变换器等。
DC/AC变换器常称为逆变器，按直流中间环节的特点有电压型逆变器和电流型逆变器两种类型；按输出交流电的相数又分为单相逆变器和三相逆变器。三相逆变器是三个单相逆变器进行同步控制的组合，以便输出相位上互差120o的三相电。
AC/DC变换器习惯称为整流器，广泛地用作电力电子系统的前级变换器。电力电子系统的前级变换器应与电力线路“友好”接入，这意味着整流器应具有高功率因数、低输入电流谐波畸变和低电磁干扰发射等特点。目前，在谐波治理的严峻形势下，各种高级AC/DC 变换器已得到发展，如有源功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)整流器，三相脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM) Boost PFC整流器，三相Buck PFC整流器等。
AC/AC变换器传统上用于只调电压的交流调压器和只调频率的周波变换器(也称循环变换器)，现在发展比较快的矩阵变换器也是一种AC/AC变换器。
为了减小开关损耗和功率变换器的电磁干扰，达到重量轻、体积小、且高效节能的目的，在上述四种基本形式变换器的基础上，新的电路拓扑和软开关技术及其应用得以迅速发展。2．控制理论和调节手段
电力电子系统是一种非线性、变结构、电压电流突变的离散系统，特别是与电机构成的系统更是强耦合、多变量、具有分布参数特征系统，呈现重复瞬态和非正弦性等特点，这就决定了在电工领域中长期采用的以相量为基础的控制理论不再适用。经典的电路理论和控制
理论无法直接处理电力电子系统的控制问题，发展和应用新的控制理论势在必行。
电力电子应用技术的核心部分都是开关控制器，它是以开关方式运行的非线性元件，因此以离散系统为基础的开关控制理论成为主要的调节手段。将控制理论应用于电力电子控制的前提是对其网络拓扑进行建模。主要使用的建模方法有状态空间平均法、数据采样建模法、PWM开关平均法、等效电路模型法等。对软开关电路的建模还在探索之中，目前已经提出了高频网络平均法、脉冲波形积分法等几种方法。
电力电子系统控制的目标主要是效率和电源质量。电源质量有动态响应、谐波质量和鲁棒性要求等。现代控制理论的应用，为实现电力电子系统目标提供了有力手段。日新月异的微处理器技术的发展，为现代控制理论的应用提供了硬件基础。数字信号处理器(DSP)已经在电力电子控制领域得到了普遍应用，而系统级芯片SOC(System On Chip)技术和网络技术的发展，也将极大的推动电力电子应用技术的进步。智能控制理论由于具有本质非线性、并行处理、自组织自学习等能力，在电力电子用于技术控制中也有着巨大的潜力。
3．变换装置的设计技术
电力电子应用技术的基本任务是要设计出满足功能要求、且运行可靠的电能变换装置。一个性能良好的变换装置设计，应该包括功能设计、电磁兼容设计、散热设计和结构亲和性设计等方面。
功能指标设计主要要满足输出电压(或电流)和功率的指标。同时，为了装置能正常和可靠的工作，还要缜密地考虑其它一些显性和隐性的功能指标，如，主电路防冲击电流的控制设计，控制电路得电复位和断电保护设计，装置的过电流、过电压和欠电压保护，过热保护、短路保护，甚至还要考虑过功率保护。功能设计的方法是多种多样的，总的来说，应选择保护效果好，同时又简单节能的设计方法。
电磁兼容设计电力电子电路的基本特征是，电路总是工作在开关模式的变换之中，在两个或几个不同的结构之间不断切换。开关的通断在电路中引起的电压和电流变化率，是电磁干扰（EMI）的本质，解决好电磁兼容问题是电力电子应用技术的一大任务。电能变换装置的电磁干扰分三类：外部干扰源对装置的干扰(incoming)；装置内部的干扰源对系统外部的干扰(outgoing)；装置内部的相互干扰(internal)。解决前两类的干扰通常采用滤波的办法，第三类干扰的解决途径较多，如，采用电磁屏蔽、电气隔离，主电路合理采用低电感结构方式等等。控制电路的电磁兼容设计一般从导线传导耦合、公共阻抗电感性耦合、电容性耦合和电磁场耦合5个方面考虑。
系统散热设计电力电子开关器件在工作时产生的损耗（最主要的是通态损耗和开关损
耗）都以热量的形式表现出来。同时，工作在高频状态下的磁性组件（变换器中电感和变压器）其损耗也比较大。因此，散热设计是电力电子应用技术的重要任务。一般来说，散热设计包括对散热介质、散热空间和散热器热阻的设计计算。良好的设计不仅散热效果好，而且散热系统简单。例如，通过改进IGBT模块的封装材料和散热方式，混合电动汽车或燃料电池汽车，可以不必专门设置牵引变流器的冷却(散热)系统而直接共享汽车上原有的冷却系统。常见的5种散热器，按散热效果逐次升级排序为①自冷式散热器；②风冷式散热器；
③水冷(油冷)式散热器；④沸腾式散热器；⑤热管散热器。
结构亲和性设计变换器装置的结构形式应该对人具有良好的“亲和力”—不仅外表美观宜人、结构紧凑、便于测试和装卸，而且具有功能分区设计、模块化设计和子系统集成设计等内容。
电力电子产品或电路设计正向着模块化、集成化的方向发展。具有各种控制功能的专用芯片不断开发和应用。IPM以IGBT作功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路都封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少、产品体积小，可靠性显著提高。美国VICOR 公司生产的第二代电源模块达到高度集成化和全面计算机化，内含组件仅为第一代产品的1/3，由115个减为35个。电路集成的进一步发展方向是系统集成。美国电力电子系统中心(Center for Power Electronics Systems, CPES)已经提出了系统集成的设想：将信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起；采用三维空间热耗散散热。从而可能实现将功率从数百瓦－千瓦做到几十千瓦以上。系统集成可以改变现在的半自动化、半人工的组装工艺而达到完全自动化生产，从而降低成本，有利于大规模推广应用。
4．分析设计工具的使用开发
对于某一特定的电能变换要求，为了更好地接近所追求的目标，一般要解决好电力电子应用技术的仿真、分析和设计等几个关键问题。它们具体包括：电路拓扑和系统控制策略的确定、开关器件和控制方法的选择、装置内部的散热和电磁兼容性设计、可靠性预估和参数最优化等等，所有这些问题，都需要分析设计工具来辅助解决。随着计算机和软件技术的发展，分析工具也越来越丰富。在全软件的分析设计工具中，有电力电子电路理论和控制理论分析仿真工具－Matlab、Mathematica、Mathcad等；电力电子拓扑及其控制的仿真分析工具－Simulink、Microsim (Pspice)、Powersim等；电力电子分析设计的EDA辅助工具－Saber，以及Cadence 、Mentor、Synopsis等公司的相关软件包，如workbench等；电力电子三维热场和电磁场分析工具－Ansys、Ansoft等。
为适应特定电路设计分析的需要，有时需要在具体使用软件工具时补充和开发其中的一
些模型和功能，有时需要对已有的软件进行改进，甚至需要另行开发软件。另外，在有的场合，如数学模型非常复杂时，软件的仿真分析需要花很长时间；在有的场合，硬件系统及其各部分相互作用极其复杂，甚至无法建立分析仿真的数学模型等，此时软件分析设计工具难于发挥很好的作用。这时，建立软件和硬件相结合的混合仿真系统，或建立全硬件的仿真、设计和开发平台就成为必不可少的工具。因此，基于仿真、分析和设计的软硬件平台或专家系统，可使系统设计性能最优，设计制造费用最省，是电力电子应用技术的重要内容之一。5．电力电子元器件的使用
电力电子应用技术的主要内容莫过于合理可靠地使用电力电子元器件。半导体开关器件、磁性元件和电容器等，各类元器件产品型号众多，特性各异，应用条件差异性很大。且每一种新器件的诞生，都伴随着电能变换技术的重大突破。所以使用好电力电子元器件十分重要。
半导体开关器件按控制方式来分，有三大类：不控型器件，如二极管；半控型器件，如能控制导通不能控制关断的晶闸管；全控型器件如GTO、VDMOS、BJT(GTR)、IGBT、IGCT等。
常见的二极管为三种。其一，普通二极管，常用在工频电路或晶闸管等频率不高的电路中；其二，快速恢复二极管，它利用特殊工艺制造，反向恢复电流和时间都很短，常用在IGBT或VDMOS等高速开关器件的电路中和高频整流电路中；其三，肖特级(Schottky)二极管，因为它不是PN结导电特性，导通电压降小，且几乎没有反向恢复时间，常用在开关电源等低电压输出的高频整流电路中。
常见的晶闸管分为五种：普通晶闸管，容量等级大，目前它常用在大功率整流电路和周波变换器中；快速晶闸管和高频晶闸管，它利用特殊工艺制造，关断时间小于50 s，主要用在感应加热的中频电源中；逆导晶闸管(RCT)，它是将一个晶闸管和一个二极管反并联集成在同一硅片上面构成的组合器件，常用在直流斩波器、倍频式中频电源及三相逆变器电路中；双向晶闸管(Triac)，它把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，是控制交流功率的理想器件，主要用在交流无触点继电器、交流相位控制电路中；光控晶闸管，它不用电压电流触发、而是用光触发晶闸管导通，主要应用在电力系统等高电压大电流场合。
理想的全控型器件在瞬间完成导通或关断，没有过渡过程；正向导通电压降和关断后的漏电流为都是零。而实际的器件既存在开通和关断时间，又有导通电压降和漏电流。因此，一个实际的全控型器件，其性能的优劣就在于它在多大的程度上接近这些理想特性。各种不同类型的器件存在的差异很大，GTO和IGCT等晶闸管型器件，去掉正向导通脉冲它们仍能保持导通，只有施加反向关断脉冲时器件才关断；而VDMOS、BJT和IGBT等晶体管型器件，
一旦撤走开通脉冲，器件就立即关断，施加反向脉冲只是为了避免干扰造成误导通；GTO、IGCT和BJT等是电流型器件，VDMOS和IGBT等是电压型器件，它们的控制驱动电路设计要区别对待；即使同是电流型器件，如GTO和BJT，由于器件的特性不一样，其控制驱动的要求也很不一样。为了让每一种器件的特性发挥到最佳，电路的设计者须根据器件特点和使用要求合理选用。
磁性元件主要指变压器和电抗器。随着电力电子技术的高频化，磁性元件的工作频率不断提高，就需要能高频工作且损耗小的软磁性材料。这些磁性材料有软磁合金(铁镍合金、铁铝合金、铁钴钒合金等)、铁氧体(锰锌铁氧体、镁锌铁氧体、镍锌铁氧体等)、新型非晶和微晶软磁材料(铁基非晶、钴基非晶、铁基微晶、钴基微晶等)。即使同一种材料，如果所含成份不同，性能、价格和适用条件(频率和温度范围)差别很大。如日本TDK的锰锌铁氧体材料，根据其性能指标和适用条件不同，就分为PC20、PC30、PC40等多种。另一方面，为了适应小功率开关电源的需要，磁性元件的结构不断向超薄型、平面型发展。如平面变压器以单层或多层印刷电路板代之铜导线，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率通常高达97%～99%；工作频率高，从50kHz到2MHz；具低漏感(小于0.2%)和低电磁干扰(EMI)。
电容器是与磁性元件对偶的一种储能和滤波元件。直流电容器以铝电解和钽电解电容器为主。交流电容器根据电压等级、容量和使用频率的不同，种类繁多，如云母电容器、纸介电容器、聚苯乙烯电容器、聚丙烯电容器、涤纶电容器、复合介质电容器、独石电容器等等。
铝电解电容器的工作温度范围一般是85℃，当工作温度每升高10℃其寿命就减短一半。由于电力电子装置内部的环境温度相对较高，为了电容器的寿命能与装置的其它元器件寿命相匹配，需要采用105℃的电解电容器，而不是85℃的电容。超容电容器是近年来的最新进展，它采用独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离，单元容量达到10F—2700F。利用超容电容器的串联组合或并联组合，可得到高压组件或高能量存储组件。650V的高压高能量组件已得到应用。美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容技术的世界领先地位。
吸收电容(snubber capacitor)和谐振电容(resonance capacitor)是电力电子应用技术中不可或缺的新型电容。吸收电容要求吸收的峰值电流大，电容本身的等效电感小；而谐振电容要求有效值电流大，电容本身损耗小。如果选择使用不当，电容器很容易损坏。
无论开关器件，还是电抗器、变压器和电容器，在使用或参数设计时,都要合理地选择电压、电流和开关频率，以及考虑与热损耗、电磁干扰等的相互关系。
1.2电力电子应用技术的主要领域
1. 电源设计领域
广义上讲，电力电子应用技术就是电能变换的技术，都属于是电源设计。一般意义上讲，电源设计以DC/DC开关电源为主，也包含一些AC/DC电源，甚至DC/AC电源。从应用方面看，主要以计算机、通讯电源为主，兼顾一些特殊行业的需要，如电化学电源和冶炼加热电源等。
现代计算机都依赖于开关变换器的直流电源，如台式机的开关电源、笔记本电脑的电池管理开关电源、服务器的冗余供电开关电源。它们具有多路独立输出、多电压等级的特点，其设计也处处渗透着电力电子应用技术的最新成就。
给计算机和网络系统供电主要采用分布式结构电源，它包括离线式有源功率因数校正(PFC)电路和后级的多个负载点的DC/DC变换器。这种结构分布式结构的中间电压级主要是12V的电压总线或48V的电压总线，它们通过各DC/DC变换器把能量传递到各独立的功能板或子系统中。
通讯工业是供电电源和电池的最大用户之一，使用范围从无绳电话的小电源到超高可靠性的后备电源系统。它的电源系统与计算机的电源结构类似，前端是离线式有源功率因数校正(PFC)电路，后端是DC/DC前向变换给电话系统直流48V的配电总线提供大电流输出。
为了降低集成芯片的工作损耗，低电压的芯片供电电源开发非常热门。这就需要高功率密度、低功耗、高效率的性能指标，以及同步整流、多相多重、板上功率变换以及板级互联等新技术。目前，国外实验室已开发出70A/1.2V、效率87％的高性能电源。在不久的将来，一种更先进的芯片级的互联技术和功率变换技术将会出现在世人面前。
2．电机传动领域
全国的电机每年要消耗约62％的电能。电力电子应用技术在电机传动领域不仅能给电机提供好的调速性能，还能大大节约能源。目前，三相380V/400kV A以下的电动机IGBT通用变频装置国际上业已成熟。3~10kV/400kV A以上电机传动变频器还很有市场前景。因为这样电压和功率等级的中、大型电动机负载大体都是各行业的主要机组，节能潜力很大，对国民经济的影响十分显著。以下四种类型的电动机传动与电力电子应用技术密切相关：（1）工艺调速传动——这类传动要求机器按一定的工艺要求实施运动控制，以保证最终产品的质量、产量和劳动生产率；（2）节能调速传动——风机、泵类消耗全国总发电量的30%左右，用电动机变频调速来取代传统的风档、法门阀门来调节流量，估计全国每年可节电百万千瓦时；（3）牵引调速传动——如轨道交通电传动车组、城市无轨电车，电梯、矿井卷扬机等，既
提高运输效率、显著节能，又减少污染，保护环境；（4）精密调速和特种调速——数控机床的主轴传动和伺服传动是现代机床的不可分割部分，雷达和火炮的同步联动等军事应用，都要求电动机有足够的调速范围（例如1：10000以上）和控制精度。
3. 电力系统领域
电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。最早成功应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电（HVDC）。基于电力电子应用技术在电力系统中的作用，1986年美国电力科学研究院提出了柔性输电（FACTS）概念，1988年又提出了定制电力（Customer Power）的概念。在发电环节的应用，有大型发电机的静止励磁控制，水力、风力发电机的变速恒频励磁等；在输电环节中的应用，有直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术、统一潮流控制器和可控串联补偿器等；在配电系统中的应用，如动态无功发生器、电力有源滤波器等。以电力电子应用技术为手段，FACTS主要通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，以提高输电系统稳定性和输送容量为目标；定制电力以加强供电可靠性和提高电能质量为目标。
4．汽车电子领域
汽车工业领域已成为电力电子应用技术的主要增长点。电力电子在新一代汽车上主要应用于以下方面：用电力电子开关器件替代传统的机械开关和继电器；用电力电子控制系统对车上负载进行精密控制；利用电力电子技术改造原有的12V电源系统，使之成为多电压系统；使用适合电力电子控制的、更先进的驱动电机。预计在不久的将来，从小功率的车窗、座椅控制，到大功率电传动系统，都蕴涵着电力电子应用技术的最新成就。另外，电子点火器，电压调节器，电机驱动控制和音响系统是当前最普遍的应用。
5．绿色照明领域
照明是人类文明的永恒需求。照明用电约占全国发电量的10－12％，很有节能的潜力。电光源在100多年里经历了“白织灯-直管荧光灯-高压放电灯-节能荧光灯-无灯丝灯”等几代产品。80年代，随着电力电子变频技术的发展成熟，高频应用又促成某些更新一代电光源的诞生，从此，电力电子应用技术在绿色照明中开始占有重要的一席之地。一个典型的例子是，紧凑型节能灯和电子镇流器的问世，吹响了以照明节能为中心的绿色照明的前奏曲。采用不同成分的稀土荧光粉可制成各种色温的气体放电节能灯，发光率比常规荧光灯提高一倍，可以做成各种形状便于紧凑安装，替代白织灯，可节电75%－80%。电子镇流器是电力电子应用技术的具体应用之一，它实际上是一个电子变频器（从50Hz变换到30kHz以上）加一个高频电感镇流器。采用电子镇流器后，高频电感比工频电感减轻几十倍的重量，节省材料
80%左右，灯管的的实际工作寿命延长3－5倍，同时能提供更好的性能，更低的损耗，和更高的亮度。
6．新能源开发领域
在世界石油、煤炭等化石能源日益紧缺的今天，低耗高效和寻找开发新能源是根本出路，因而，可再生能源以及燃料电池受到世界各国的高度重视。再生能源是指可自行再生的能源，如日光能、风能、潮汐能、地热能以及生物废料能等。从燃料电池、微燃气轮机、风能、太阳能和潮汐能等新能源中得到的一次电能，难以直接被标准的电气负载使用。所以，将其高效而经济地转换为民生用电，已成为先进科技国家兼顾环保和发电的重要产业政策。电力电子是解决能源问题的关键技术，它对新能源的开发、转换、输送、贮存和利用等各方面发挥着重要作用。如太阳能光伏发电。太阳能电池板获得的原始直流电压是与太阳光强度等因素有关的，它需要通过一个DC/DC变换器来稳定直流电压，再通过DC/AC变换器变为所要求的交流电，或直接供负载使用，或将电能馈入市电。
1.3 电力电子应用技术的主要作用
1．是国民经济可持续发展的重要措施
世界能源日趋紧张，根据全世界石油生产统计，石油产量将于十年内达到高峰，尔后产量将逐年降低，这不仅意味着油价（电价）上升，也可能导致真正石油危机的到来，间接引发全球经济风暴。以最少的能源和材料消耗换取最大的产出，就是在有限能源和有限资源的条件下，保持人类生存环境少受污染、保证经济可持续发展的重要条件。2003年，我国消耗的原油占全世界的7.4%，原煤占31%，铁矿石占30%，钢材占27%，氧化铝占25%，水泥占40%，但创造的GDP仅相当于世界总量的4％。可见，我国能源消耗和创造的国民经济产值GDP比在全世界是相当低的，这种高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型经济增长方式不可能持续发展。以功率处理为对象的电力电子技术，是缓解和克服当今世界“能源危机、资源危机和环境危机”三大危机的重要技术手段之一。
电力电子应用技术在各行业现代化技术改造中发挥着重大作用。传统机电产品只是在其额定工作点附近运行时效率才比较高，但是多数实际工况均偏离额定，因此高效设备经常处在低效运行状态，这是我国能耗远高于西方发达国家的重要因素之—。电力电子与微电子／计算机技术相结合，通过改变各种工况下电源的频率、电压、相位等参数，使整个系统处于高效运行状态，可大大节约电能。采用变频调速节能一般在10％－30％，有时高达40％。例如，1995年－1997年3年间，国家投入风机和水泵等变频调速改造3.5亿元，年节电达
7亿千瓦时，两年就收回投资。因此，电力电子在运动控制、工业电源、绿色照明、电力系统以及谐波治理、环境保护和新能源开发领域中的应用，是实现高效节能、省材，机电一体化、自动化、智能化的技术保障。
2．是实现国民经济信息化的关键接口
随着计算机、数字通讯和网络技术的发展，世界已进入信息社会。当前，发达国家在高度工业化的基础上正进一步实施国民经济的信息化，进入了以信息化带动其它产业发展的时代。人们意识到，为了把信息技术深化应用到各个物质生产领域，以信息流控制能源流/物料流，就必须加强信息控制、电网供电和生产机械之间的接口—弱电控制强电的电力电子产业。
从技术发展来讲，在发展超大规模集成电路(VLSI)的同时，大力发展有超大面积集成(VLAI)之称的电力半导体器件；在实现信号变频来传递信息的同时，大力推动功率变频，实行电能的优化利用。采用电力电子变频技术，不仅节能省材、技术含量增高，还可方便地同计算机或微处理器、数字信号处理器等接口，易于采用软件控制，扩大智能化程度。例如，在通信用AC-DC电源中，采用IGBT或功率MOSFET管的现代开关电源，比传统线性电源的体积、重量减少90％；老式直流电焊机重200-300kg，效率仅30％，现代IGBT逆变焊机，重量只有20-30kg，效率却高达85％以上。
大力发展现代电力电子应用技术，既可促使传统产业许多产品的更新换代，又可为信息指令指挥物质生产架起桥梁，使信息化深入到物质生产中去。如，未来代替燃油汽车的电动车控制系统是一个包括“电池—电脑—电控电动机”的电子系统。电源转换、运动控制、安全与导航将是该电子系统的三大功能。未来的各行业将有自己的专用电子设备，汽车电子、航空电子、照明电子、印刷电子等等。那时电子部门将只提供计算机、通用软件、基础件(集成电路、电子元器件)和某些通用电子产品。只有弱电电子工业，不能直接控制生产机械，只有强电电子，即电力电子应用技术发展了，强电弱电相融合，构成信息电子—电力电子—传感电子的“大电子系统”，真正实现“机械电子一体化”，国民经济的水准才会有质的跃变。3．是促进高科技发展和国防现代化的基础
巡航导弹、机器人是很轻巧的机电一体化系统，它包含了复杂的运动控制——速度、加速度、位置、角度的全面控制，也包含了各种功率的变换——给这些系统的各个部位提供不同的电压、电流、频率、相位等控制，而运动控制和功率变换正是电力电子应用技术的主要内容。航天器上每增加1kg载荷，从地面起航时必须增添500kg燃料和设施。电力电子应用技术可使各种电磁设备大幅度减轻重量，不言而喻，这对航天、航空、航海等具有重大价值。
在战舰中，速度就是生命、就是胜利。普通内燃机驱动的轮渡船，时速只有21公里/小时，全电驱动的轮渡船，速度可达60公里/小时。
现代舰船电气化程度越来越高。舰船上的电力负载，武器和防卫装备的控制系统，通信导航设备，电热、制冷、照明和其他生活用电设备，需要各种不同的电源。既要有恒定直流或恒压工频交流电，也要有可变的直流电源或三相交流变频变压电源。而通信导航设备、舰船指挥仪、声纳、雷达，部分设备甚至还要求脉冲沿非常陡的高频脉冲电源。另外，现代化的个人野战武器装备需要有微型卫星定位系统和计算机系统。而这些都需要效率很高、重量很轻的电源变换器把电池电压变为各种所需电压。所有这些电源都需要电力电子应用技术的支撑。
1.4 电力电子应用技术的发展方向
为了电力电子元器件更加实用、高效、可靠地应用到电能变换电路系统中，电力电子应用技术的发展方向大致有以下六个方面。
1．集成化
电力电子电路的集成化也在迅猛发展。在有源器件的封装集成方面，通过改变器件内部的连线方式并把有关控制和保护功能封装进去，减小了器件内部连线电感和器件封装热阻，提高了内部连接可靠性和增加了器件功能。对无源器件，通过把磁性元件(电感或变压器)集成，或者把电感和电容集成，可以减少构成电力电子装置的元器件个数，提高系统可靠性，同时还能有效利用电感和电容的分布参数。在功率稍低的应用中，已经可以把控制、驱动、保护和电力电子主电路集成在一起，这就是系统集成，这种系统集成的功率等级正在逐步提高。在功率等级较高，系统集成难以实现时，模组化是个选择。模组化是模块组合化的简称。例如，从一个开关器件到三相逆变桥臂的6个开关器件的模块组合，以减小体积和提高可靠性；开关器件模块和散热器的集成组合，以减小从器件到散热介质之间的热阻；把变换器桥臂的器件与驱动、保护和散热器组合在一起成为一个整体，以方便装卸和更换。
2．智能化
开关器件的功能不断扩大，品种日益增多。通过数字芯片和通讯网络等手段，可以使其不仅具有开关功能，还有控制、驱动、检测、通讯和故障自诊断等功能。随着集成工艺的提高和突破，有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能，使用范围得到拓宽而线路结构得到简化。
3．高压化
目前，电力电子器件的耐压等级与工业应用中需要的电压等级相比还很小，使其应用受到限制。如，半控开关器件晶闸管为8000V，全控开关器件IGBT只有6500V。为了使开关器件应用在高电压场合，一种途径是在拓扑电路方面进行探索，目前的技术大致有多电平变换器技术和多桥级联技术两种；另一种是在器件本身方面进行探索，目前主要有器件直接串联技术和器件材料和工艺的改进技术。如SiC技术等。
4．高频化
一般情况下，电力电子装置中的磁性元件和电容器约占1/3体积和1/3以上的重量。为了减小电力电子系统的体积和重量，提高功率密度、改善动态响应，提高开关变换器工作频率是必由之路。但高频化的结果导致器件的开关损耗及无源器件损耗增大、寄生参数影响增大、EMI增加。因此，围绕着高频化应加强产生了许多新技术的应用基础研究。一是改进器件本身的性能，如新型高频开关器件、新型高频磁元件的应用基础研究；二是采用新型软开关拓扑，三是采用多重化技术。
5．高效化
合理选择电路、改进控制技术和提升器件性能是提高电力电子装置效率的根本措施。在低电压大电流的变换器中，采用同步整流技术可降低整流电路中器件的通态损耗。在高频变换器中采用软开关技术，有利于降低器件的开关损耗。SiC材料器件是开关器件发展的一个方向。美国戴姆乐克莱斯勒公司的试验结果表明，用SiC二极管取代IGBT模块中现有的Si 材料反并联二极管后，开关模块的开通损耗和关断损耗分别减小到1/3和1/5。
参考文献
1. Thomas G. Wilson. The Evolution of Power Electronics. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 3, MAY 2000, 439-446
2.IEEE PES.What is Power Electronics? https://www.doczj.com/doc/7c18259549.html,, 2004年06月
3．Bimal K. Bose. Energy, Environment, and advances in Power Electronics. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 4, JULY 2000, 688-701 4. 蔡宣三，钱照明，王正元. 电力电子学的发展战略调查研究报告，电工技术学报第14卷增刊，1999年7月.
5．邹应屿.电力电子发展的契机与挑战.https://www.doczj.com/doc/7c18259549.html,.tw,2004年08月6．王正元.跨入新世纪的电力电子.北京交大学术报告，2004年5月
（供学生平时课程学习、复习用，●为重点） 第一章绪论 1.电力电子技术：信息电子技术----信息处理，包括：模拟电子技术、数字电子技术 电力电子技术----电力的变换与控制 2. ●电力电子技术是实现电能转换和控制，能进行电压电流的变换、频率的变换及相 数的变换。 第二章电力电子器件 1.电力电子器件分类：不可控器件：电力二极管 可控器件：全控器件----门极可关断晶闸管GTO电力晶体管GTR 场效应管电力PMOSFET绝缘栅双极晶体管IGBT及其他器件 ☆半控器件----晶闸管●阳极A阴极K 门极G 2.晶闸管 1）●导通：当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触电电流的情况晶闸管才能开通。 ●关断：外加电压和外电路作用是流过晶闸管的电流降到接近于零 ●导通条件：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流 ●维持导通条件：阳极电流大于维持电流 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才会开通。 当晶闸管导通，门极失去作用。 ●主要参数：额定电压、额定电流的计算，元件选择 第三章 ●整流电路 1.电路分类：单相----单相半波可控整流电路单相整流电路、桥式（全控、半控）、单相全波可控整流电路单相桥式（全控、半控）整流电路 三相----半波、●桥式（●全控、半控） 2.负载：电阻、电感、●电感+电阻、电容、●反电势 3.电路结构不同、负载不同●输出波形不同●电压计算公式不同
单相电路 1.●变压器的作用：变压、隔离、抑制高次谐波（三相、原副边星/三角形接法） 2.●不同负载下，整流输出电压波形特点 1）电阻电压、电流波形相同 2）电感电压电流不相同、电流不连续，存在续流问题 3）反电势停止导电角 3.●二极管的续流作用 1）防止整流输出电压下降 2）防止失控 4.●保持电流连续●串续流电抗器，●计算公式 5.电压、电流波形绘制，电压、电流参数计算公式 三相电路 1.共阴极接法、共阳极接法 2.触发角ā的确定 3.宽脉冲、双窄脉冲 4.●电压、电流波形绘制●电压、电流参数计算公式 5.变压器漏抗对整流电流的影响●换相重叠角产生原因计算方法 6.整流电路的谐波和功率因数 ●逆变电路 1.●逆变条件●电路极性●逆变波形 2.●逆变失败原因器件触发电路交流电源换向裕量 3.●防止逆变失败的措施 4.●最小逆变角的确定 触发电路 1.●触发电路组成 2.工作原理 3.触发电路定相 第四章逆变电路
1.1 晶闸管导通的条件是什么？由导通变为关断的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：u AK>0且u GK>0。 要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 1.2晶闸管非正常导通方式有几种？ （常见晶闸管导通方式有5种，见课本14页，正常导通方式有：门级加触发电压和光触发） 答：非正常导通方式有： (1) Ig=0，阳极加较大电压。此时漏电流急剧增大形成雪崩效应，又通过正反馈放大漏电 流，最终使晶闸管导通； (2) 阳极电压上率du/dt过高；产生位移电流，最终使晶闸管导通 (3) 结温过高；漏电流增大引起晶闸管导通。 1.3 试说明晶闸管有那些派生器件。 答：晶闸管派生器件有：（1）快速晶闸管，（2）双向晶闸管，（3）逆导晶闸管，（4）光控晶闸管 1.4 GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？答:GTO和普通晶闸管同为PNPN 结构,由P1N1P2 和N1P2N2 构成两个晶体管V1、V2 分别具有共基极电流增益α1 和α２，由普通晶闸管的分析可得，α1 + α2 = 1 是器件临界导通的条件。α1 + α2＞1 两个等效晶体管过饱和而导通；α1 + α2＜1 不能维持饱和导通而关断。GTO 之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同： 1）GTO 在设计时α2 较大,这样晶体管T2 控制灵敏,易于GTO 关断; 2)GTO 导通时α1 + α2 的更接近于l,普通晶闸管α1 + α2 ≥1.5 ,而GTO 则为α1 + α2 ≈1.05 ，GTO 的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利条件; 3)多元集成结构使每个GTO 元阴极面积很小, 门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2 极
HefeiUniversity 合肥学院电力电子技术课程综述 系别：电子信息及电气工程系 专业：自动化 班级： 姓名: 学号：
目录 摘要： (3) 绪论 (4) 1.1电力电子技术简介： (4) 1.2电力电子技术的应用： (4) 1.3电力电子技术的重要作用： (5) 1.4电力电子技术的发展 (5) 本课程简介 (6) 2.1电力电子器件： (6) 2.1.1根据开关器件是否可控分类 (6) 2.1.2 根据门极)驱动信号的不同 (6) 2.1.3 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器 件和复合型器件。 (6) 2.2 DC-DC变换器 (7) 2.2.1主要内容： (7) 2.2.2直流-直流变换器的控制 (7) 2.3 DC-AC变换器（无源逆变电路） (8) 2.3.1电压型变换器 (8) 2.3.2电流型变换器 (8) 2.3.3脉宽调制(PWM)变换器 (9) 2.4 AC-DC变换器（整流和有源逆变电路） (9) 2.4.1简介 (9) 2.4.2工作原理 (9) 2.5 AC-AC变换器 (10) 2.5.1 简介 (10) 2.5.2 分类 (10) 2.6 软开关变换器 (10) 2.6.1分类 (10) 2.6.2 重点 (10) 总结 (11) 参考文献 (11)
摘要：电力电子技术是在电子、电力与控制技术上发展起来的一门新兴交 叉学科，被国际电工委员会（IEC）命名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技术。近20年来，电力电子技术已渗透到国民经济各领域，并取得了迅速的发展。作为电气工程及其自动化、工业自动化或相关专业的一门重要基础课，电力电子技术课程讲述了电力电子器件、电力电子电路及变流技术的基本理论、基本概念和基本分析方法，为后续专业课程的学习和电力电子技术的研究与应用打下良好的基础。 关键词：电力电子技术控制技术自动化电力电子器件 Abstract: Power electronic technology is in Electronics, electric Power and control technology developed on an emerging interdisciplinary, is the international electrotechnical commission (IEC) named Power Electronics (Power Electronics) or called Power electronic technology. Nearly 20 years, power electronic technology has penetrated into every field of national economy, and have achieved rapid development. As electrical engineering and automation, industrial automation or related professional one important courses, power electronic technology course about power electronics device, power electronic circuits, the basic theory of converter technology, the basic concept and basic analysis for subsequent specialized course of study and power electronic technology research and application lay a good foundation. Keywords:Power electronic technology control technology automation power electronics device
第一章 电力半导体器件 习题与思考题解 1-1．晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？ 解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。导通后的晶闸管管压降很小。 使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流ＩＨ以下。其方法有二： １）减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压； ２）增加负载回路中的电阻。 1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流I H =4mA ，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？ 解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为100A ，3表示额定电压为300V 。 对于图(a)，假若晶闸管V 被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为 ()mA I V 210 5001003=?= 因为I V < I H ，而I H < I L ，I L 为擎住电流，通常I L =(2~4) I H 。可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，所以，图(a)不合理。 对于图(b)，电源为交流220V ，当α=0°时，最大输出平均电压 9922045.045.02=?=≈U U d （Ｖ）
平均电流 9.91099=== R U d VAR I (A) 波形系数 57.1≈=VAR V f I I K 所以， ＩＶ＝K f 。ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A) 而KP100-3允许流过的电流有效值为I VE ＝1.57×100＝157(A)， I L < I V 300(V) 所以，图(b)不满足电压指标，不合理。 对于图(c)，电源为直流电源，Ｖ触发导通后，流过Ｖ的最大电流为I V ＝150／1＝150(A),即为平均值，亦是有效值。而I VE ＝150A ，I V ＝150(A)<157（A ），即I L < I V 电力电子技术复习提纲
《电力电子技术》复习提纲 期末考试： 总成绩分配比例：平时10%+实验20%+期末70% 题型：填空、简答、计算、分析题（1308、1309） 第一章绪论 本章要点：1、电力电子技术概念。 2、电力变换的种类。 1电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。 2 电力变换的种类： （1）交流变直流AC-DC：整流 （2）直流变交流DC-AC：逆变 （3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现 （4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制 3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术 4.电力电子技术的诞生1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管，1904年出现电子管，1947年美国著名贝尔实验室发明了晶体管。 5 电子技术分为信息电子技术与电力电子技术。信息电子技术主要用于信息处理，电力电子技术主要用于电力变换。 第2章电力电子器件 本章要点：1、电力电子器件的分类。 2、晶闸管的基本特性和主要参数（额定电流和额定电压的确定）。 3、全控型器件的电气符号。 复习参考：P42 2、3、4 1、电力电子器件一般工作在开关状态。 2、通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为通态损耗，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为开关损耗。 3、电力电子器件组成的系统，一般由控制电路、驱动电路、主电路三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加保护电路。 4、按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为单极型器件、双极型器件、复合型器件三类。 5、按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为电压驱动型和电流驱动型两类。 6、属于不可控器件的是电力二极管，属于半控型器件的是晶闸管，属于全控型器件的是GTO 、GTR 、电力MOSFET 、IGBT ；属于单极型电力电子器件的有电力MOSFET，属于双极型器件的有电力二极管、晶闸管、GTO 、GTR，属于复合型电力电子器件得有IGBT ；在可控的器件中，容量最大的是晶闸管，工作频
电力电子技术试题（第一章） 一、填空题 1、普通晶闸管内部有PN结,，外部有三个电极，分别是极极和极。 1、三个、阳极A、阴极K、门极G。 2、晶闸管在其阳极与阴极之间加上电压的同时，门极上加上电压，晶闸管就导通。 2、正向、触发。 3、、晶闸管的工作状态有正向状态，正向状态和反向状态。 3、阻断、导通、阻断。 4、某半导体器件的型号为KP50—7的，其中KP表示该器件的名称为，50表示，7表示。 4、普通晶闸管、额定电流50A、额定电压700V。 5、只有当阳极电流小于电流时，晶闸管才会由导通转为截止。 5、维持电流。 6、当增大晶闸管可控整流的控制角α，负载上得到的直流电压平均值会。 6、减小。 7、按负载的性质不同，晶闸管可控整流电路的负载分为性负载，性负载和负载三大类。 7、电阻、电感、反电动势。 8、当晶闸管可控整流的负载为大电感负载时，负载两端的直流电压平均值会，解决的办法就是在负载的两端接一个。 8、减小、并接、续流二极管。 9、工作于反电动势负载的晶闸管在每一个周期中的导通角、电流波形不连续、呈状、电流的平均值。要求管子的额定电流值要些。 9、小、脉冲、小、大。 10、单结晶体管的内部一共有个PN结，外部一共有3个电极，它们分别是极、极和极。 10、一个、发射极E、第一基极B1、第二基极B2。 11、当单结晶体管的发射极电压高于电压时就导通；低于电 压时就截止。 11、峰点、谷点。 12、触发电路送出的触发脉冲信号必须与晶闸管阳极电压，保证在管子阳极电压每个正半周内以相同的被触发，才能得到稳定的直流电压。 12、同步、时刻。 13、晶体管触发电路的同步电压一般有同步电压和电压。 13、正弦波、锯齿波。 14、正弦波触发电路的同步移相一般都是采用与一个或几个的叠加，利用改变的大小，来实现移相控制。 14、正弦波同步电压、控制电压、控制电压。 15、在晶闸管两端并联的RC回路是用来防止损坏晶闸管的。 15、关断过电压。 16、为了防止雷电对晶闸管的损坏，可在整流变压器的一次线圈两端并接一个或。 16、硒堆、压敏电阻。 16、用来保护晶闸管过电流的熔断器叫。 16、快速熔断器。 二、判断题对的用√表示、错的用×表示（每小题1分、共10分） 1、普通晶闸管内部有两个PN结。（×） 2、普通晶闸管外部有三个电极，分别是基极、发射极和集电极。（×） 3、型号为KP50—7的半导体器件，是一个额定电流为50A的普通晶闸管。（） 4、只要让加在晶闸管两端的电压减小为零，晶闸管就会关断。（×） 5、只要给门极加上触发电压，晶闸管就导通。（×） 6、晶闸管加上阳极电压后，不给门极加触发电压，晶闸管也会导通。（√） 7、加在晶闸管门极上的触发电压，最高不得超过100V。（×） 8、单向半控桥可控整流电路中，两只晶闸管采用的是“共阳”接法。（×） 9、晶闸管采用“共阴”接法或“共阳”接法都一样。（×） 10、增大晶闸管整流装置的控制角α，输出直流电压的平均值会增大。（×） 11、在触发电路中采用脉冲变压器可保障人员和设备的安全。（√） 12、为防止“关断过电压”损坏晶闸管，可在管子两端并接压敏电阻。（×） 13、雷击过电压可以用RC吸收回路来抑制。（×） 14、硒堆发生过电压击穿后就不能再使用了。（×） 15、晶闸管串联使用须采取“均压措施”。（√）
现代电力电子技术的发展、现状与未来展 望综述
课程报告 现代电力电子技术的发展、现状与 未来展望综述 学院：电气工程学院 姓名： ********* 学号: 14********* 专业： ***************** 指导教师： *******老师 0 引言
电力电子技术就是使用电力半导体器件对电能进行变换和控制的技术，它是综合了电子技术、控制技术和电力技术而发展起来的应用性很强的新兴学科。随着经济技术水平的不断提高，电能的应用已经普及到社会生产和生活的方方面面，现代电力电子技术无论对传统工业的改造还是对高新技术产业的发展都有着至关重要的作用，它涉及的应用领域包括国民经济的各个工业部门。毫无疑问，电力电子技术将成为21世纪的重要关键技术之一。 1 电力电子技术的发展［1］ 电力电子技术包含电力电子器件制造技术和变流技术两个分支，电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。 1.1半控型器件（第一代电力电子器件） 上世纪50年代，美国通用电气公司发明了世界上第一只硅晶闸管(SCR)，标志着电力电子技术的诞生。此后，晶闸管得到了迅速发展，器件容量越来越大，性能得到不断提高，并产生了各种晶闸管派生器件，如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。但是，晶闸管作为半控型器件，只能通过门极控制器开通，不能控制其关断，要关断器件必须通过强迫换相电路，从而使整个装置体积增加，复杂程度提高，效率降低。另外，晶闸管为双极型器件，有少子存储效应，所以工作频率低，一般低于400 Hz。由于以上这些原因，使得晶闸管的应用受到很大限制。 1.2全控型器件（第二代电力电气器件） 随着半导体技术的不断突破及实际需求的发展，从上世纪70年代后期开始，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。这些优点使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。 1.3电力电子器件的新发展 为了解决MSOFET在高压下存在的导通电阻大的问题，RCA公司和GE公司于1982年开发出了绝缘栅双极晶体管（IGBT）,并于1986年开始正式生产并逐渐系列化。IGBT是MOS?FET和BJT得复合，它把MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使之很快成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT 相对应，MOS 控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们都综合
第1章 电力电子器件习题答案 1.晶闸管导通的条件是什么?关断的条件是什么? 答: 晶闸管导通的条件: ① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。 ② ②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 晶闸管关断的条件: 要关断晶闸管,必须使其阳极电流减小到一定数值以下,或在阳极和阴极加反向电压。 2.为什么要限制晶闸管的通态电流上升率? 答:因为晶闸管在导通瞬间,电流集中在门极附近,随着时间的推移,导通区才逐渐扩大,直到全部结面导通为止。在刚导通时,如果电流上升率/di dt 较大,会引起门极附近过热,造成晶闸管损坏，所以电流上升率应限制在通态电流临界上升率以内。 3.为什么要限制晶闸管的断态电压上升率？ 答：晶闸管的PN 结存在着结电容，在阻断状态下，当加在晶闸管上的正向电压上升率/du dt 较大时，便会有较大的充电电流流过结电容，起到触发电流的作用，使晶闸管误导通。因此，晶闸管的电压上升率应限制在断态电压临界上升率以内。 4.额定电流为100A 的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是多少？ 解：额定电流为100A 的晶闸管在不考虑安全裕量的情况下，允许的电流有效值为： A I I 15710057.157.1T(AV)T =?== 晶闸管在流过全波电流的时候，其有效值和正弦交流幅值的关系为： 2 d )sin (1 m 0 2m T I t t I I = = ? π ωωπ 其平均值与和正弦交流幅值的关系为： π ωωππ m m d 2d sin 1 I t t I I = = ? 则波形系数为： 11.12 2d T f === πI I K 则晶闸管在流过全波电流的时候，其平均值为： A K I I 1.14111 .1157f T d === 所以，额定电流为100A 的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是141.4A 。 5.晶闸管中通过的电流波形如下图所示，求晶闸管电流的有效值、平均值、波形系数及晶闸管额定电流。
第一章绪论 * 先修课程： 电路理论：电路分析的方法（怎么分析、计算） 电子技术基础：学好电力电子器件有帮助，二极管、三极管、MOS管都是此课程的基础。 * 课程的主要任务（为什么要学这门课/对我们有什么帮助）： （1）电力电子器件是电力电子技术的基础，没有器件只有电路，只能做仿真，无法实现功能。现在的器件多是硅半导体的器件，属于集成电路方面的知识。 我们主要不是做电力电子器件，而是应用器件，搭建电路，完成项目的功能。对于电路设计来说，首先要了解器件，所以首先要掌握器件的工作原理和应用。（基础） （2）在（1）的基础上，要了解各种电力电子变换电路的应用（都是应用电力电力器件）。变换电路：直流→直流、直流→交流、交流→直流、交流→交流，大致有这几种，要熟悉掌握这几种电路。（核心）（3）培养分析和解决问题的能力。怎么设计电路，做出相应产品，怎样测试他，有问题（达不到设计指标），如何分析并解决。 *发展史：国外大学重视，通过发展史，可以了解这门科学的发展情况，并有所启迪 *应用：一门技术，知道它在哪里用，就会彻底了解到，否则，茫然 *简单介绍这门课怎么上 1、什么是电力电子技术
电子技术包括两大分支：信息电子技术&电力电子技术。通常所说的电子技术主要是指信息电子技术（模拟电子技术&数字电子技术），主要用来进行信息处理。 电力电子技术，主要研究电能的变换（利用电力电子器件），→区别于信息电子技术（本质上不同）。 一般电子技术（狭义的电子技术）就是指信息电子技术，但实际上，电力电子技术也属于电子技术的一类。 *电力变换，并不一定是几千瓦，几百个兆瓦或G瓦，与大小无关，小到几毫瓦，只要电路是对电能进行变化，都属于电力电子的范畴。 电力电子技术本身有两大分支：电力电子器件制造技术&变流技术。 *电力电子器件制造技术（电力电子技术的基础）：基础，其理论基础是半导体物理，要学电力电子器件制造，要学好半导体物理（属于另一个领域），我们主要是利用电力电子设计电路，实现功能。 *变流技术——就是电力电子器件应用技术，核心是分析和研究电路。 （电力电子技术的核心），研究电力电子技术，主要是研究怎么用管子做电路做系统。 电力电子技术主要研究的是电能的变换，通常所用的电力分两种：直流和交流，从公用电网得到的电力是交流电（近现代电网都提供的是交流，一般不提供直流），从蓄电池和干电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能满足要求，需要进行电力变换→电力电子技术。 电力变化不仅仅是交流和直流之间的变换，也可能是一种直流变成另一种直流，或者一种交流变成另一种交流电。 整流：交流→直流（把电网出来的交流变成直流） 逆变：直流→交流（相对整流而言，反过来） 直流斩波：直流→直流（一种直流电压/电流变成另一种直流电压/电流） 交流电力控制、变频、变相：交流→交流（交流的变化比较多，不仅有电压、电流，还有频率、相数），单相变三相，三相变单相。 电力电子技术与相关学科的关系 电力电子技术就像Newell所说，用倒三角把它描述清楚了。 电力电子学（电力电子技术）由三门学科交叉而成的，其中，电子学又分电路、器件，电力学又分静止器、旋转电机，控制理论有连续控制、离散控制。
《电力电子技术》第1章课 后习题答案 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
1.1 晶闸管导通的条件是什么由导通变为关断的条件是什么 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：u AK>0且u GK>0。 要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 1.2晶闸管非正常导通方式有几种 1.3 （常见晶闸管导通方式有5种，见课本14页，正常导通方式有：门级加触 发电压和光触发） 答：非正常导通方式有： (1) Ig=0，阳极加较大电压。此时漏电流急剧增大形成雪崩效应，又通过正反馈放大漏电流，最终使晶闸管导通； (2) 阳极电压上率du/dt过高；产生位移电流，最终使晶闸管导通 (3) 结温过高；漏电流增大引起晶闸管导通。 1.3 试说明晶闸管有那些派生器件。 答：晶闸管派生器件有：（1）快速晶闸管，（2）双向晶闸管，（3）逆导晶闸管，（4）光控晶闸管 1.4 GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？ 答:GTO和普通晶闸管同为 PNPN 结构,由 P1N1P2 和 N1P2N2 构成两个晶体管 V1、V2 分别具有共基极电流增益α1 和α２，由普通晶闸管的分析可得，α1 + α 2 = 1 是器件临界导通的条件。α1 + α 2＞1 两个等效晶体管过饱和而导通；α1 + α 2＜1 不能维持饱和导通而关断。 GTO 之所以能够自行关断,而普 通晶闸管不能,是因为 GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：
第1章电力电子器件 填空题： 1.电力电子器件一般工作在________状态。 2.在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为________，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为________。 3.电力电子器件组成的系统，一般由________、________、________三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加________。 4.按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为________、________、________三类。 5.电力二极管的工作特性可概括为________。 6.电力二极管的主要类型有________、________、________。 7.肖特基二极管的开关损耗________快恢复二极管的开关损耗。 8.晶闸管的基本工作特性可概括为 ____ 正向有触发则导通、反向截止 ____ 。 9.对同一晶闸管，维持电流I H与擎住电流I L在数值大小上有I L________I H。 10.晶闸管断态不重复电压U DRM与转折电压U bo数值大小上应为，U DRM________Ubo。 11.逆导晶闸管是将________与晶闸管________（如何连接）在同一管芯上的功率集成器件。 12.GTO的________结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。 13.功率晶体管GTR从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象称为________。 14.MOSFET的漏极伏安特性中的三个区域与GTR共发射极接法时的输出特性中的三个区域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的________、前者的饱和区对应后者的________、前者的非饱和区对应后者的________。 15.电力MOSFET的通态电阻具有________温度系数。 16.IGBT 的开启电压U GE（th）随温度升高而________，开关速度________电力MOSFET 。 17.功率集成电路PIC分为二大类，一类是高压集成电路，另一类是________。 18.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为________和________两类。 19.为了利于功率晶体管的关断，驱动电流后沿应是________。 20.GTR的驱动电路中抗饱和电路的主要作用是________。 21.抑制过电压的方法之一是用________吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。在过电流保护中，快速熔断
第一章电力电子器件 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或者U AK >0且U GK>0 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。 图1－43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I3。 解：a) I d1= I1= b) I d2= I2= c) I d3= I3= .上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少?这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少? 解：额定电流I T(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知 a) I m1A, I d10.2717I m189.48A b) I m2 I d2 c) I m3=2I=314 I d3= 和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能? 答：GTO和普通晶阐管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，分别具有共基极电流增益和，由普通晶阐管的分析可得，是器件临界导通的条件。两个等效晶体管过饱和而导通；不能维持饱和导通而关断。 GTO之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同： l)GTO在设计时较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断； 2)GTO导通时的更接近于l，普通晶闸管，而GTO则为，GTO的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件； 3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。 .如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏? 答：电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压，所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏，应注意以下几点： ①一般在不用时将其三个电极短接； ②装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地； ③电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高； ④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。 、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点? 答：IGBT驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻，ⅠGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用
第 1 章习题 第 1 部分：填空题 1.电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的 技术。 2.电力电子技术是应用在电力变换领域的电子技术。 3.电能变换的含义是在输入与输出之间，将电压、_电流、频率、_相位、_相数中的一项以上加以改变。 4.在功率变换电路中，为了尽量提高电能变换的效率，所以器件只能工作在_ 开关状态，这样才能降低损耗。 5.电力电子技术的研究内容包括两大分支：电力电子器件制造 技术和_变流技术。 6.半导体变流技术包括用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成_ 电力电子装置和电力电子系统的技术。 第 2 部分：简答题 1.什么是电力电子技术？ 答：电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进 行变换和控制的技术。 2.电能变换电路的有什么特点？机械式开关为什么不适于做电能变换电路中的 开关？ 答：电能变换电路在输入与输出之间将电能，电流，频率，相位，相数种的一 相加以变换。 电能变换电路中理想开关应满足切换时开关时间为零，使用寿命长，而机械开 关不能满足这些要求。 3.电力电子变换电路包括哪几大类？ 答：交流变直流-整流；直流变交流-逆变；直流变支路-斩波；交流变交流-交 流调压或者变频。
“” “” At the end, Xiao Bian gives you a passage. Minand once said, "people who learn to learn are very happy people.". In every wonderful life, learning is an eternal theme. As a professional clerical and teaching position, I understand the importance of continuous learning, "life is diligent, nothing can be gained", only continuous learning can achieve better self. Only by constantly learning and mastering the latest relevant knowledge, can employees from all walks of life keep up with the pace of enterprise development and innovate to meet the needs of the market. This document is also edited by my studio professionals, there may be errors in the document, if there are errors, please correct, thank you!
课程学习的基本要求及重点难点内容分析 第一章电力电子器件的原理与特性 1、本章学习要求 1.1 电力电子器件概述，要求达到“熟悉”层次。 1）电力电子器件的发展概况及其发展趋势。 2）电力电子器件的分类及其各自的特点。 1.2 功率二极管，要求达到“熟悉”层次。 1）功率二极管的工作原理、基本特性、主要参数和主要类型。 2）功率二极管额定电流的定义。 1.3 晶闸管，要求达到“掌握”层次。 1）晶闸管的结构、工作原理及伏安特性。 2）晶闸管主要参数的定义及其含义。 3）电流波形系数k f的定义及计算方法。 4）晶闸管导通和关断条件 5）能够根据要求选用晶闸管。 1.4 门极可关断晶闸管（GTO），要求达到“熟悉”层次。 1）GTO的工作原理、特点及主要参数。 1.5 功率场效应管，要求达到“熟悉”层次。 1）功率场效应管的特点，基本特性及安全工作区。 1.6 绝缘栅双极型晶体管（IGBT），要求达到“熟悉”层次。 1）IGBT的工作原理、特点、擎住效应及安全工作区。 1.7 新型电力电子器件简介，要求达到“熟悉”层次。 2、本章重点难点分析 有关晶闸管电流计算的问题： 晶闸管是整流电路中用得比较多的一种电力电子器件，在进行有关晶闸管的电流计算时，针对实际流过晶闸管的不同电流波形，应根据电流有效值相等的原则选择计算公式，即允许流过晶闸管的实际电流有效值应等于额定电流I T对应的电流有效值。 利用公式I = k f×I d = 1.57I T进行晶闸管电流计算时，一般可解决两个方面的问题：一是已知晶闸管的实际工作条件（包括流过的电流波形、幅值等），确定所要选用的晶闸管额定
《电力电子技术》期末复习提纲 绪论 1电子技术信息电子技术和电力电子技术。 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。 2 电力变换的种类 （1）交流变直流AC-DC：整流 （2）直流变交流DC-AC：逆变 （3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现 （4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制 3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。 第1章电力电子器件 1 电力电子器件与主电路的关系 （1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。 （2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。 2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。 3 电力电子系统基本组成与工作原理 （1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。 （2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。 （4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。 4 电力电子器件的分类 根据控制信号所控制的程度分类 （1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。如SCR晶闸管。 （2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。 （3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。如电力二极管。 根据驱动信号的性质分类 （1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如SCR、GTO、GTR。 （2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如MOSFET、IGBT。 根据器件内部载流子参与导电的情况分类 （1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如MOSFET。 （2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如SCR、GTO、GTR。（3）复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如IGBT。 5 半控型器件—晶闸管SCR 晶闸管的结构与工作原理
第1章 思考题与习题 1.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。 导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A 决定。 1.2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定? 答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流I A 减小，I A 下降到维持电流I H 以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A 决定。 1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？ 答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流I H 会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。 1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？ 答：非正常导通方式有：(1) I g =0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt 过高；(3) 结温过高。 1.5请简述晶闸管的关断时间定义。 答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即gr rr q t t t +=。 1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？ 答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。 1.7请简述光控晶闸管的有关特征。 答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。 1.8型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)
现代电力电子技术学习报告 姓名：csu 学号： 专业：电气工程 班级：
目录 第一章现代电力电子技术的形成与发展 (1) 1.1 电力电子技术的定义 (1) 1.2 电力电子技术的历史 (1) 1.3 电力电子技术的发展 (2) 1.3.1 整流器时代 (2) 1.3.2 逆变器时代 (2) 1.3.3 变频器时代 (2) 1.3.4 现代电力时代 (3) 第二章现代电力电子计时研究的主要类容和控制技术 (4) 2.1 直流输电技术 (4) 2.2 灵活交流输电技术（FACTS） (4) 2.3 定制电力技术（DFACTS） (5) 2.4 高压变频技术 (5) 2.5 仿真分析与试验手段 (5) 第三章现在电力电子的应用领域 (6) 3.1 工业领域 (6) 3.2 交通运输 (6) 3.3 传统产业 (6) 3.4 家用电器 (7) 3.5 电力系统 (7) 第四章现代电力电子技术的发展趋势及其目前研究的热点问题 (8) 4.1 国内发展趋势 (8) 4.2 国外发展趋势 (8) 4.3 热点问题 (8)
第一章现代电力电子技术的形成与发展 1.1 电力电子技术的定义 电力电子技术，又称“功率电子学”（英文：Power Electronics），简称PE，是应用于电力领域，使用电力电子元件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术分为电力电子元件制造技术和变流技术。一般认为，1957年美国美国通用电气公司研制出第一个晶体管是电力电子技术诞生的标志。 1974年，美国的W. Newell提出：电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而行成。这一观点被全世界普遍接受。 1.2 电力电子技术的历史 随着1902年第一个整流器的问世,进而引入了功率电子学这个概念。原始整流器是一个内含液态汞的阴极放电管。这个汞蒸气型的整流器,可以将数千安培的交流电转换为直流电,其容忍电压也高达一万伏特以上。从1930年开始,这种原始的整流器开始匹配一个类似于通管技术的点阵式(或晶格结构)类比控制器,从而实现了直流电流的可控制性(引燃管,闸流管)。由于正向可通过的电压约为20伏特,进而乘于正向可通过的电流就产生了可观的电功率损失,由此而来的投资和运营成本等等也会相应的增加。因而这种整流器在现今的功率电子技术方面并不会得到广泛的应用。 随着半导体在整流方面的应用,第一个半导体整流器(硒和氧化亚铜整流器)被发明出来。 1957年,通用电气研发出第一种可控式功率型半导体,后来命名为晶闸管。之后进一步地研发出多种类型的可控式功率型半导体。这些半导体如今也在驱动技术方面得到广泛应用。