目 录
第1章 电力电子变换和控制技术导论⋯⋯ 1
1.1 电力电子学科的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1
1.2 电力电子变换和控制的技术
经济意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3
1.3 开关型电力电子变换的基本原理及
控制方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5
1.4 开关型电力电子变换器基本特性⋯⋯ 16
1.5 开关型电力电子变换器的应用领域⋯ 17
小结 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 19
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 20
第2章 半导体电力开关器件⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 21
2.1 电力二极管⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 21
·2.1.1 半导体PN结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 21
·2.1.2 二极管基本特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 23
2.1.3 电力二极管⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 25
2.1.4 电力二极管的主要应用⋯⋯⋯⋯ 28
2.2 双极结型电力晶体管BJT ⋯⋯⋯⋯⋯ 28
·2.2.1 晶体管基极电流对集电极电流
的控制作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 28
2.2.2 静态特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 30
2.2.3 电力晶体管使用参数和特性⋯⋯ 32
2.3 晶闸管及其派生器件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 34
2.3.1 逆阻型晶闸管SCR ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 34
2.3.2 逆导型晶闸管RCT ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 39
2.3.3 光控晶闸管LCT ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 40
2.3.4 双向晶闸管TRIAC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 40
2.4 门极可关断晶闸管GTO ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 41
2.5 电力场效晶体管P-MOSFET ⋯⋯⋯⋯ 42
2.6 绝缘门极双极型晶体管IGBT ⋯⋯⋯⋯ 45
2.6.1 工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 45
2.6.2 静态特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 46
2.6.3 擎住效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 46
*2.7 MOS控制晶闸管MCT和集成门极
换流晶闸管IGCT ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 47
*2.8 静电感应晶体管SIT和静电感应
晶闸管SITH ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 48
2.9 半导体电力开关模块和功率集成
电路PIC⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 49
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 51
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 53
第3章 直流/直流变换器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 55
3.1 直流/直流降压变换器(BuckDC/DC
变换器)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 55
3.1.1 电路结构和降压原理⋯⋯⋯⋯⋯ 55
3.1.2 电感电流连续时工作特性⋯⋯⋯ 57
3.1.3 电感电流断流时工作特性⋯⋯⋯ 60
3.2 直流/直流升压变换器(BoostDC/DC
变换器)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 65
3.2.1 电路结构和升压原理⋯⋯⋯⋯⋯ 65
3.2.2 电感电流连续时工作特性⋯⋯⋯ 65
3.2.3 电感电流断流时工作特性⋯⋯⋯ 67
3.3 直流升压-降压变换器(Boost-Buck
变换器或Cuk变换器) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 71
3.3.1 电路结构和工作原理⋯⋯⋯⋯⋯ 71
*3.3.2 电流断流时工作特性⋯⋯⋯⋯⋯ 73
*3.3.3 两电感有耦合的Cuk变换器⋯⋯ 74
*3.4 两象限、四象限直流/直流变换器⋯⋯ 77
3.4.1 两象限直流/直流变换器⋯⋯⋯⋯ 77
3.4.2 四象限直流/直流变换器⋯⋯⋯⋯ 78
*3.5 多相、多重直流/直流变换器⋯⋯⋯⋯ 80
3.6 带隔离变压器的直流/直流变换器⋯⋯ 81
3.6.1 隔离型Buck变换器——— 单端正励
变换器(ForwardConverter)⋯⋯⋯⋯ 82
3.6.2 隔离型Buck-Boost变换器——— 单
端反励变换器(FlybackConverter) ⋯ 83
*3.6.3 隔离型Cuk变换器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 88
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 89
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 90
第4章 直流/交流变换器(逆变器) ⋯⋯⋯ 91
4.1 逆变器的类型和性能指标⋯⋯⋯⋯⋯ 91
4.1.1 逆变器的类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 91
4.1.2 逆变器输出波形性能指标⋯⋯⋯ 92
4.1.3 其他指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 93
4.2 电压型单相方波逆变电路工作原理⋯ 93
4.2.1 电压型单相全桥逆变电路⋯⋯⋯ 93
4.2.2 电压型单相半桥逆变电路⋯⋯⋯ 95
4.2.3 变压器中心抽头推挽式(Push-
Pull)单相逆变电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 96
4.3 电压型单相逆变器电压和波形控制⋯ 96
4.3.1 单脉波脉冲宽度调制PWM
逆变器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 97
4.3.2 正弦脉冲宽度调制SPWM
基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 98
4.3.3 单极性倍频正弦脉冲宽
度调制逆变器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 101
4.3.4 双极性正弦脉冲宽度调制
BSPWM逆变器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 106
*4.3.5 改进型正弦脉冲宽度调制
MSPWM ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 108
4.3.6 基波移相控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 109
4.4 三相逆变电路工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 109
4.4.1 电压型三相逆变工作原理⋯⋯⋯ 109
4.4.2 电流型三相逆变工作原理⋯⋯⋯ 113
4.5 三相逆变器输出电压和波形的
SPWM控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 114
*4.6 三相逆变器电压空间矢量
PWM控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 118
*4.7 多电平逆变电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 125
4.8 大容量逆变器的复合结构⋯⋯⋯⋯⋯ 130
4.8.1 12阶梯波逆变器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 131
4.8.2 24阶梯波逆变器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 133
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 135
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 136
第5章 交流/直流变换器(整流器)⋯⋯⋯ 138
5.1 整流器的类型和性能指标⋯⋯⋯⋯⋯ 138
5.2 不控整流电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 140
·5.2.1 单相半波不控整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 140
·5.2.2 两相半波不控整流(或双半波
不控整流) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 141
·5.2.3 单相桥式不控整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 141
·5.2.4 三相半波不控整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 142
5.2.5 三相桥式不控整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯142
5.2.6 电容滤波的不控整流电路⋯⋯⋯143
5.3 单相桥式晶闸管相控整流电路⋯⋯⋯148
5.3.1 单相桥式全控整流电路⋯⋯⋯⋯148
5.3.2 单相桥式半控整流电路⋯⋯⋯⋯160
5.4 三相半波相控整流电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯161
5.5 三相桥式相控整流电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯162
5.5.1 三相桥式全控整流电路⋯⋯⋯⋯162
5.5.2 三相桥式半控整流电路⋯⋯⋯⋯169
5.6 交流电路中电感对整流特性的影响⋯169
*5.7 相控整流电压的谐波分析⋯⋯⋯⋯173
5.7.1 m脉波相控整流电压通用公式⋯⋯ 174
5.7.2 m脉波不控整流电压通用公式⋯⋯ 176
5.7.3 单相和三相桥式相控整流输出
电压谐波特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯177
*5.8 带平衡电抗器的双三相桥12脉波
整流电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯178
5.9 相控有源逆变电路工作原理⋯⋯⋯⋯182
5.9.1 有源逆变原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182
5.9.2 有源逆变安全工作条件⋯⋯⋯⋯184
5.9.3 三相全桥相控整流和有源逆变的
控制特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯185
5.9.4 晶闸管相控有源逆变的应用⋯⋯187
5.10 相控整流及有源逆变晶闸管触发
控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯188
5.11 含有源功率因数校正环节(PFC)的
单相高频整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯190
5.11.1 谐波电流的危害及改善措施⋯⋯190
5.11.2 含升压(Boost)型功率因数校正
器的高频整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192
5.11.3 带反励式功率因数校正器的
高频整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193
*5.12 三相高频PWM整流⋯⋯⋯⋯⋯⋯194
5.12.1 能量可回馈的高频PWM 整流
电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯194
5.12.2 交流/直流双向PWM 变换器
工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯195
5.12.3 三相电压型高频PWM 整流控制
系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯198
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯199
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯200
第6章 交流/交流变换器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯201
·Ⅱ· 目 录
6.1 晶闸管交流电压控制器的类型⋯⋯⋯ 201
6.2 单相交流电压控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 202
6.2.1 电阻负载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 202
6.2.2 电阻、电感性负载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 206
*6.2.3 PWM交流电压控制器⋯⋯⋯⋯ 208
6.3 三相全波交流电压控制器⋯⋯⋯⋯⋯ 209
6.3.1 三相星形联结交流电压控制器⋯ 209
6.3.2 三相开口三角形交流电压
控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 212
*6.4 变压器抽头电压控制器⋯⋯⋯⋯⋯ 213
*6.5 晶闸管相控交流/交流直接
变频器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 214
6.5.1 基本工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 214
6.5.2 实用电路结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 218
6.5.3 交流/交流相控直接变频的
优缺点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 218
*6.6 矩阵式交流/交流变频器⋯⋯⋯⋯⋯ 220
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 221
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 222
第7章 辅助元器件和系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 223
7.1 触发、驱动器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 223
7.1.1 晶闸管SCR的触发驱动器⋯⋯⋯ 223
7.1.2 GTO的触发驱动器⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 224
7.1.3 BJT的驱动器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 225
7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驱动器⋯⋯ 226
7.2 过电流保护和过电压保护⋯⋯⋯⋯⋯ 227
7.2.1 过电流保护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 227
7.2.2 过电压保护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 228
7.2.3 开关器件串联、并联应用时的
均压、均流保护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 229
7.3 开关器件的开通、关断过程与
安全工作区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 230
7.3.1 线路电感Lσ=0时开关器件的
开通、关断过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 231
7.3.2 线路电感Lσ≠0时开关器件的
开通、关断过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 233
7.3.3 安全工作区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 234
7.4 缓冲器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 235
*7.4.1 全控型开关管LCRD型复合
缓冲器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 235
7.4.2 电力二极管、晶闸管的RC
缓冲电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯241
7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅钳位缓
冲器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯241
·7.5 电感(电抗器)、方波变压器和
脉冲变压器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯246
7.5.1 电感(电抗器) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯246
7.5.2 方波变压器和脉冲变压器⋯⋯⋯249
7.6 滤波器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯251
7.6.1 滤波器基本功能和类型⋯⋯⋯⋯251
*7.6.2 LC滤波器特性分析⋯⋯⋯⋯⋯252
*7.6.3 谐振型滤波器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯256
7.7 散热系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯257
7.8 控制系统和辅助电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯258
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯260
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯260
第8章 谐振开关型变换器⋯⋯⋯⋯⋯⋯261
8.1 硬开关、LC缓冲软开关和LC谐振零
开关基本特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯261
8.2 谐振开关型变换器的类型⋯⋯⋯⋯⋯263
8.3 谐振开关型零电压开通(ZVS)
变换器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯265
8.3.1 零电压开通脉冲宽度调制
(ZVSPWM)变换器工作原理⋯⋯265
8.3.2 零电压开通脉冲频率调制(ZVS
PFM)变换器工作原理⋯⋯⋯⋯⋯267
8.4 谐振开关型零电流关断(ZCS)
变换器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯268
8.4.1 零电流关断脉冲宽度调制(ZCS
PWM)变换器工作原理⋯⋯⋯⋯269
8.4.2 零电流关断脉冲频率调制(ZCS
PFM)变换器工作原理⋯⋯⋯⋯⋯272
*8.5 直流环节并联谐振型逆变器
PRDCLI ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯273
8.5.1 工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯274
8.5.2 参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯278
8.5.3 直流环节并联谐振型逆变器
PRDCLI的控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯280
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯280
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯281
第9章 多级开关电路组合型交流、
直流电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯282
目 录·Ⅲ·
9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频(VVVF)
电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 282
9.2 AC/DC-DC/AC恒压、恒频(CVCF)
不间断电源UPS ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 284
9.2.1 典型在线双变换式UPS ⋯⋯⋯⋯ 285
9.2.2 典型后备式UPS ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 286
9.2.3 在线互动式UPS ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 286
9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流
输电系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 287
9.4 具有中间交流环节(直流/交流/
直流变换)的直流电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 288
9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流
电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 289
9.4.2 全桥型DC/AC-AC/DC直流
电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 291
*9.5 移相全桥零电压开关DC/AC-AC/DC
变换器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 291
9.5.1 电路特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 291
9.5.2 一个周期的开关过程⋯⋯⋯⋯⋯ 292
9.5.3 开关器件零电压开通条件⋯⋯⋯ 296
9.5.4 变压器二次绕组及二极管导
电情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 297
9.6 交流电源、直流负载时电力电子变换
系统方案比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 297
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 299
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 299
第10章 电力电子开关型电力补偿、
控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯300
10.1 晶闸管开关型并联电抗补偿器⋯⋯⋯300
10.1.1 晶闸管投、切并联电容器
TSC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯300
10.1.2 晶闸管相控并联电抗器TCR ⋯302
10.2 晶闸管开关型串联电抗补偿器⋯⋯⋯304
10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器
TCSC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304
*10.2.2 可关断晶闸管GTO控制的串
联电容补偿器GCSC ⋯⋯⋯⋯305
10.3 PWM 开关型并联无功功率发生器
STATCOM ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯306
10.4 谐波电流补偿器HCC(或并联型电力
有源滤波器PAPF)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯308
10.5 谐波电压补偿器HVC(或串联型电
力有源滤波器SAPF)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯309
10.6 PWM 开关型串联同步电压补偿器
SSSC ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯310
*10.7 统一潮流控制器UPFC ⋯⋯⋯⋯⋯311
*10.8 超导磁体储能系统SMES ⋯⋯⋯⋯313
小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯315
复习题及思考题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯316
附录A 傅里叶级数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯317
附录B 常系数线性二阶微分方程的
通解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯323
参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯325