电力电子技术 杨立波 机电工程系自动化教研室

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参考教材 主要参考书： 参考书： 电力电子技术 机械工业出版社 黄家善主编 2、电力电子学 高等教育出版社 陈坚 编著 电力电子技术 机械工业出版社 黄家善主编 参考书： 1、电力电子技术 机械工业出版社 王兆安 主编 2、电力电子学 高等教育出版社 陈坚 编著 3、Agrawal，Power Electronic Systems-Theory and design，2nd, ed. Prentice Hall, 2001(电力电子系统-理论和设计，清华大学出版社引进）

相关学术组织及期刊网站： 1）IEEE-电气与电子工程师协会（美国） 期刊：IEEE学报 网站：http://www.ieee.org 网站：http://www.iee.org.uk 3）J.IEE-日本电气学会 4）中国电工技术学会 5）中国电机工程学会 6）中国电源学会 7）电气自动化、电气传动自动化、电工电能新技术

与本课程相关的问题 课程名称：电力电子技术（Power Electronic Technology） 学 时：90学时， 学 时：90学时， 课程性质：必修的专业基础课 与相关课程的关系： 先修课程：高等数学、电路原理、模拟电子技术、数字电子技术 后续课程：交流调速、毕业设计。

成绩考核： 本课程为考试课，其成绩主要由以下几部分构成： 平时成绩：占40%（主要指听课的纪律、出勤) 作业（不得抄袭）） 期末考试：占60%（闭卷笔试）

第1章 绪 论 什么是电力电子技术 电力电子技术的发展史 电力电子技术的应用 本课程的学习方法和具体要求 电力电子电路的计算机仿真软件

1 什么是电力电子技术？ （1）定义：有几种不同的说法 将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技术。

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是一门利用电力电子器件、电路理论和控制技术对电能进行处理、控制和变换的学科，是现代电子学的一个重要分支，也是电工技术的分支之一。 国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的定义： 有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。 王兆安编著的教材的定义：就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

从工程的对象和内容及手段几方面理解电力电子技术。 对象：能量中的电能 内容：对电能的变换和控制 手段：利用电力电子器件（半导体器件）

电力电子技术是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科，包括电力电子器件、电力电子电路(变流电路)和控制技术三个主要组成部分。 （2）与其他学科之间的关系： 电力电子技术是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科，包括电力电子器件、电力电子电路(变流电路)和控制技术三个主要组成部分。 可用下图形象地描述电力电子技术这一学科的构成及与其他学科的关系。 电力电子学的名称是在上世纪60年代出现的，在1974年，美国的W·Newell用这个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技术、电子技术和控制技术三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。

①与电子技术的关系： 模拟电子技术 信息电子技术 电子技术 数字电子技术 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——主要用于电力变换和控制。 电子技术一般是指信息电子技术，广义而言，也包 括电力电子技术。这里指的就是信息电子技术。 电力电子技术与信息电子技术的关系：

电力电子技术与信息电子技术的关系： A 都分为器件和应用两大分支； B 器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子制 造技术，二者同根同源； C 应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同； Ｄ工作状态不同：信息电子电路的器件可工作在开关 状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件 一般只工作在开关状态。 Ｅ应用目的不同：信息电子技术用于信息处理，电力 电子技术用于电力变换和控制。

②与电力技术（电气工程）的关系： Ａ电力电子技术广泛用于电气工程中，如： 　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、电镀、电加热、高性能交直流电源等。 Ｂ国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支； Ｃ电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。 ③与控制技术（自动化技术）的关系： Ａ控制技术广泛用于电力电子技术中； Ｂ电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接 口，控制技术是这种接口的强有力的纽带； Ｃ电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。 结论： 电力电子技术包括电力电子器件、电力电子线路和控制技术三个部分。

（３）电力电子技术的研究任务： （４）电力电子技术的地位和未来： ①电力电子器件的应用； ②电力电子电路的电能变换原理； ③控制技术以及电力电子装置的开发与应用。 （４）电力电子技术的地位和未来： 以计算机为核心的信息科学将是21世纪起主导作用的科学技术之一，而电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。 电力电子技术是电能变换技术，是把电网或其他电源提供的“粗电”变成适合于使用的“精电”的技术。而能源是人类社会的永恒话题，电能又是最优质的能源。 因此，电力电子技术将青春永驻。 电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，在21世纪仍将以迅猛的速度发展，并将起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。

电力电子器件制造技术：是电力电子技术的基础， 也是电力电子技术发展的动力，其理论基础是半导体物理。 2　电力电子技术的发展 电力电子技术的两大分支： 电力电子器件制造技术：是电力电子技术的基础， 也是电力电子技术发展的动力，其理论基础是半导体物理。 电力电子器件应用技术（也称变流技术）： 是用电力电子器件构成的电力变换电路和 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。 它是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理论。 电 力 子 技 术

（1）电力电子器件的发展：其发展过程也就是电力电子技术的发展过程。 1904年：电子管问世；之后出现了汞弧整流器。 汞弧整流器：把水银封于真空管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行控制，其性能和晶闸管很相似。 30年代～50年代：是汞弧整流器发展迅速并大量应用的时期。 1947年：美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。 1956年：美国研制出了最先用于电力领域的半导体器件——硅整流二极管（SR）。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。 1957年：美国通用电气公司发明了晶闸管（SCR），（即普通反向阻断型可控硅）。它标志着电力电子技术的诞生。 但在此之前，用于电力变换的电子技术就已经存在了，把晶闸管出现前的时期称为史前期或黎明期。

到了70年代：晶闸管形成了从低压小电流到高压大 电流的系列产品。 从70年代开始，在其后的30年时间里，相继出现了一系列晶闸管的派生器件： 不对称晶闸管（ASCR） 逆导晶闸管（RCT） 双向晶闸管（TRIAC） 光控晶闸管（LASCR） 晶闸管派生器件 快速晶闸管（FST） 高频晶闸管 可关断晶闸管（GTO） 集成门极换流晶闸管（IGCT） MOS栅控晶闸管（MCT）

在晶体管问世20多年后，用于电力变换的功率晶体管（GTR）才进入到工业应用领域，到了80、90年代，GTR广泛应用于小功率的电路中。 在70年代后期，功率场效应晶体管（MOSFET）开始进入实用阶段，80年代取得了很大的进展。 在80年代后期，又出现了绝缘栅双极型晶体管（IGBT），它集MOSFET、GTR、GTO（可关断晶闸管）的优点于一身，在大容量、高频率的电力电子电路中表现出非凡的性能。 多年来，为了提高电力电子装置的功率密度以减小体积，把多个大功率器件组成的各种单元与驱动、保护电路集成一体，构成了功率集成电路（PIC）。 随着微电子技术的发展，在80年代又诞生了智能功率模块（IPM），它将具有驱动、保护、诊断功能的IC与电力半导体器件集成在一个模块中，并可用于10～100kW功率等级的电力电子系统中。

上述的发展过程可用下图来表示： 史前期 （黎明期） 晶闸管问世，(公元元年) 全控型器件迅速发展 晶体管诞生 1904 1930 1947 t(年) 1904 1930 1947 1957 1970 1980 1990 2000 电子管问世 水银（汞弧）整流器时代 晶闸管时代 　IGBT出现 功率集成器件

上述发展过程中的电力电子器件可分为三代： 第一代电力电子器件:硅整流管和晶闸管(SCR) 第二代电力电子器件 :电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场控晶体管(功率MOSFET)、 静电感应晶体管(SIT)、MOS控制晶闸管(MCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。 第三代电力电子器件 ：高频化、标准模块化、集成化和智能化 。功率集成电路(PIC)分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类 。

由上可知：电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子技术，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子技术方向发展。所以电力电子技术的发展主要分为两个阶段： 1）传统电力电子技术： 时 间：1957年～1980年。 典型产品：晶闸管及其派生器件。 两个分支： ①微电子学——以晶体管集成电路为核 心形成的对信息的处理技术。 特点：集成度越来越高，规模越来越 大，功能越来越全。

②电力电子技术——以晶闸管为核心形成的对电力的处理技术。 特点：晶闸管的派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。 典型电路：不可控整流电路、相控整流电路、逆变电路以及交流变换电路。 2）现代电力电子技术： 时 间：1980年～现在。 典型产品：功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极 型晶体管（IGBT）等。 特 点：集成化、高压、大电流；

现代的，不但有开关功能，还可以 放大、调制、振荡、逻辑运算等。 高频化：GTO（可关断晶闸管）1～2kHz， 电力二极管 2～ 5kHz， MOSFET 数百kHz。 全控化：避免了传统器件关断时所需要的强 迫换流电路。 电路弱电化，控制技术数字化。 多功能化：传统的，只有开关功能，多用于 整流； 现代的，不但有开关功能，还可以 放大、调制、振荡、逻辑运算等。

关于电力电子器件的分类： 不可控器件：硅整流管（SR） 半可控器件：只能通过门极电压控制其 开通不能控制其关断。 1）按控制特性分类 代表器件是晶闸管（SCR） 全控型器件：通过对门极（基极或栅极） 的控制既可使其开通又可使 其关断。其代表器件是 GTO （可关断晶闸管）和IGBT（绝缘栅双极晶体管） 2）按控制模式分类： 电流型控制模式器件 电压型控制模式器件。 工频器件 3）按工作频率分类 中频器件 高频器件

分立器件： 功率集成模块：由驱动、控制、 传感、保护、逻辑电路等集成在一 4）按器件结构分类 起构成的。 复杂模块：将功率变换电路与触发控制 4）按器件结构分类 起构成的。 复杂模块：将功率变换电路与触发控制 电路、缓冲电路、检测电路等组合。

（2）电力电子电路及其控制技术的相关概念： 1）电力电子电路的概念： 电力电子电路的根本任务是实现电能变换和控制。 能够完成电能变换和控制的电路称为电力电子电路。 2）电力电子电路的基本形式：有四种 ①直流变换电路：将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路。也称开关型DC/DC变换电路或称直流斩波器。 ②逆变电路：将直流电能变换为交流电能的电路。 也称为DC/AC变换电路。

③整流电路：将交流电能转换为直流电能的电路。 也称AC/DC变换电路。 整流器：完成整流任务的电力电子装置。 逆变器：指完成逆变的电力电子装置。 有源逆变：将逆变电路的交流侧接到交流电 网上，把直流电逆变成同频率的 交流电反送到电网中去。 无源逆变：将逆变电路的交流侧直接接到负 载上，把直流电逆变成某一频率 或可变频率的交流电供给负载。 ③整流电路：将交流电能转换为直流电能的电路。 也称AC/DC变换电路。 整流器：完成整流任务的电力电子装置。 逆变电路

④交流变换电路：把交流电能的参数（幅值、频率） 加以转换的电路。 也称为AC/AC变换电路。 根据变换参数的不同，交流变换电路可分为： 交流调压电路——是维持频率不变，仅改变输出 电压的幅值。 交—交变频电路——也称直接变频电路（或周波 变流器），是不通过中间直 流环节而把电网频率的交流 电直接变换成不同频率的交 流电的变换电路。

上述四种变换可用下图表示： 将交流电能转换为直流电能的电路，称为整流电路。将直流电能转换为交流电能的电路，称为逆变电路。将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直流电的电路，称为斩波电路 。将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率可调的交流电能的电路，称为调压电路或交流变换电路。

3）电力电子电路的控制技术： 要让电力电子电路完成各种工作任务，必须为功率变换主电路配以提供门极驱动信号的控制电路。 提供门极驱动信号控制电路的方法就称为电力电子电路的控制技术。 电力电子电路的控制技术主要有： ①相控方式：就是采用延时脉冲控制功率器件导通的相位来控制。 ②PWM技术：就是利用电力电子器件的开通和关断产生一定形状的电压脉冲序列，经过低通滤波器后实现电能变换，并有效地控制和消除谐波的一种技术。 ③软开关技术：如果开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，这种技术称为软开关技术。 ④自动控制技术：主要用于动态性能和稳态精度要求较高的场合。主要有PID控制方法、矢量控制方法。

3 电力电子技术的应用 电力电子技术在一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统以及日常生活中得到了广泛的应用，具体如下： 电源方面： 计算机高效绿色电源 通信用高频开关电源 斩波器(DC-DC变换器) 不间断电源(UPS) 高频逆变式整流焊机电源 大功率开关型高压直流电源 分布式开关电源供电系统

电气传动方面： 电力电子技术是电动机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅猛发展促使电动机控制技术水平有了突破性的提高。 利用整流器或斩波器获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，控制直流电动机的转速和转矩，可以实现直流电动机变速传动控制。 利用逆变器或交－交直接变频器对交流电动机供电，改变逆变器或变频器输出的频率和电压、电流，即可经济、有效地控制交流电动机的转速和转矩，实现交流电动机的变速传动。

灵活交流输电技术(FACTS) 定质电力技术 新型直流输电技术 同步开关技术 电力有源滤波器 电力系统方面： 随着电力电子技术的发展，电力电子设备已开始进入电力系统并为解决电能质量控制提供了技术手段。 灵活交流输电技术(FACTS) 定质电力技术 新型直流输电技术 同步开关技术 电力有源滤波器 是应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制，为用户提供特定要求的电力供应的技术。 是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。目的在于用电子开关取代机械开关。

一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力 家用电器： “节能灯”、变频空调、 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置

1）一般工业 轧钢机 冶金工业 数控机床

2）交通运输

3）电力系统 柔性交流输电FACTS 高压直流装置HVDC SVC

4）电子装置用电源 电子装置 程控交换机 微型计算机

5）家用电器

6）其他 航天技术 大型计算机的UPS 新型能源

现代电力电子技术能有效地解决以下问题： １）改善电网侧功率因数，达到接近于1的理想目标。 ２）有效地改善了电网侧和输出侧的谐波污染。 ３）进一步提高了系统的效率，实现了大幅度节能。 ４）加快系统的动态响应速度。 ５）有效地控制环境噪声污染。 总之，现代电力电子技术和装置已成为新世纪电能控制和变换的主导技术和主流产品。

电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。 电力电子技术对节能有着十分重要的意义，特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为节能技术。 随着科学技术的发展，新型功率器件将会不断涌现，电力电子装置及电力电子技术将朝着智能化、模块化、小型化、大容量、高效率、高频化、高可靠性和绿色化的方向发展。

4 本课程的学习方法和具体要求 开课目的与任务： （1）熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法，掌握电力电子技术的基本知识和技能。 （2）掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能，使学生具有初步分析和解决电力电子技术方面相关问题的能力。 （3）为后续专业课程的学习和毕业设计打下坚实的基础。 课程重点、难点、教学方法： 重 点：电力电子器件的基本原理、电力电子线路的组成和工作原理。 难 点：对各种电力电子线路的波形分析、参数计算和工程设计方法。 教学方法： 以课堂教学为主，通过一定数量的习题、考试 深入掌握本课程的基本概念、基本理论和基本方法。

第一部分：电力电子器件（第2、4章，全书的基础） 本课程的内容可分为三大部分： 第一部分：电力电子器件（第2、4章，全书的基础） 主要介绍各种电力电子器件的基本结构、工作原理、主要参数、应用特性，以及驱动、缓冲、保护、串并联等器件应用的共性问题和基础性问题。 第二部分：各种电力电子电路（第3、5、6、7章，全书的主体），主要介绍各种电路的构成和工作原理。 第三部分：软开关技术（第8章）

学习方法： １）要着重物理概念与基本分析方法的学习，理论要结合实际，尽量做到器件、电路、系统（包括控制技术）应用三者结合。 ２）要注意电路的波形和相位分析，抓住电力电子器件在电路中导通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作情况。 3）要注意培养读图与分析、器件参数计算、电路参数测量、调整以及故障分析等方面的实践能力。

具体要求： １）掌握晶闸管、电力MOSFET、IGBT等电力电子器件的结构、工作原理、特性和使用方法。 ２）掌握各种基本的直流变换电路、逆变电路、整流电路和交流变换电路的结构、工作原理、波形分析和控制方法。 ３）掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理。 ４）了解电力电子技术的应用范围和发展方向。掌握基本电力电子装置的实验和调试方法。

5.电力电子电路的计算机仿真软件

建议安全7.0版本的MATLAB软件。