电力电子

电力设备制造业大体包括发电设备行业、输变电一次设备行业、二次设备行业、电力环保行业四个子行业。电力设备行业的发展依托电力工业的发展，电力投资的规模和方向直接影响电力设备行业的发展。

2008年随着电力下游需求的减少，电力行业新增生产能力同比减少；可再生能源发电容量增加，其中以风电发电容量增加幅度最大；设备变电容量增加；发电设备利用方面，倾向于利用可再生能源发电设备。

2008年11月初，中央为扩大内需促进经济增长推出4万亿投资计划和十项措施，在2008年四季度新增的1千亿投资中，就有40亿元用于城市电网和农村电网建设。2008年11月14日，国家电网和南方电网公布了其年内和未来两年的电网投资具体额度。受投资计划刺激，电力设备行业未来两年的业绩增长基本没有悬念，与其他受益投资拉动概念的板块不同，两大电网在第一时间公布了投资额度，让电力设备行业的利好率先有了保证。

电力电子技术可实现控制加节能，将“粗电”变为“细电”来用。电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础,我国在这个环节与国外差距比较大。 我国与先进国家总体能源利用效率差10%,工业能耗主要是电能消耗,占能源消耗总量的45%,远超发达国家平均水平的23%。未来五年节能将成为国家支柱型战略新兴产业。保守估计2020年节能产值将是2010年的13倍。

应用技术高频化（20kHz以上）、硬件结构集成模块化（单片集成模块、混合集成模块）、软件控制数字化和产品性能绿色化（无电磁干扰和对电网无污染），是当前电力电子新技术产品的四大发展方向。

电力电子电力电子器件发展趋势

高频化、集成化、模块化和智能化是电力电子器件未来的主要发展方向。

（1）随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。特别是航天、航空、舰船、输变电、机车、装甲车辆等使用条件恶劣的应用领域，以上要求更为迫切。

（2）未来几年中，尽管以硅为半导体材料的双极功率器件和场控功率器件已趋于成熟，但是各种新结构和新工艺的引入，仍可使其性能得到进一步提高和改善，Coolmos、各种改进型IGBT和IGCT均有相当的生命力和竞争力。

（3）电力电子器件的智能化应用也在不断研究中取得了实质成果。一些国外制造企业已经开发出了相应的IPM智能化功率模块，结构简单、功能齐全、运行可靠性高，并具有自诊断和保护的功能。

（4）新型高频器件碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件正在迅速发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，总部位于美国北卡罗来纳的CREE公司已经实现商用的SiC二极管和MOSFET 。但由于材料和制造工艺方面的问题，还需要大量的研究投入和时间才能逐步解决，北卡州立大学的FREEDM中心正在对此技术进行研究 。

电力电子电力电子设备和系统发展趋势

由于环境、能源、社会和高效化的要求，电力电子设备和系统正朝着应用技术高频化、智能化、全数字控制、系统化及绿色化方向发展。

（1）在未来一段时间内，以各种电力半导体器件为主功率器件的电力电子设备和系统将展开竞争且共同发展。晶闸管及其派生器件仍将垄断特大功率领域。

（2）以IGBT为主功率器件的整流器和逆变器可提高效率、减小噪声，减轻设备的重量、减少体积，将广泛应用于工业（电机变频、电焊机，工业加热，电镀电源、储能装置等）、家用电器（电磁炉，商用电磁炉，变频空调，变频冰箱等）和新能源（风力发电，光伏发电、电动汽车等）等。

（3）以IGCT为主功率器件的电力电子设备和系统将有可能逐步取代晶闸管。

（4）以MOSFET为主功率器件的电力电子设备和系统将在中低功率领域发挥巨大的作用。

（5）谐振变流器技术将广泛应用，新的控制技术及手段将在电力电子设备和系统中获得应用，并进一步提高电力电子设备和系统的性能和档次。

（6）电力电子设备和系统中的电磁干扰（EMI）控制、PWM传动系统中的轴电流和轴电压等难题将取得突破性进展。

（7）未来电力电子设备和系统的应用热点是：变频调速、智能电网、汽车电子、信息和办公自动化、家用特种电源、牵引用特种电源、新能源(太阳能、风能及燃料电源)等。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称为功率半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。

电力电子涉及由半导体开关启动装置进行电源的控制与转换领域。半导体整流控制、半导体硅整的小型化等的出现，产生一个新的电力电子应用领域。半导体硅整流、汞弧整流器应用于控制电源，但是这样的整流回路只是工业电子的一部分，对于汞弧整流器应用范围而言是有局限的。半导体硅整流的应用涉及很多领域，如汽车、电站、航空电子、高频变频器等。

第1章　电力电子技术概述　1

1.1　电力电子技术的概念　1

1.2　电力电子技术的主要内容　2

1.2.1　电力电子器件　3

1.2.2　电力电子电路　4

1.2.3　电力电子电路的控制　6

1.2.4　电力电子装置　8

1.3　电力电子技术的发展状况　9

1.4　电力电子技术的应用　12

1.4.1　电力电子变换电源　12

1.4.2　电力电子补偿控制器　15

小结　19

习题　19

第2章　电力电子器件与应用　20

2.1　电力电子器件概述　20

2.1.1　电力电子器件的概念和特征　20

2.1.2　电力电子器件的分类　21

2.1.3　电力电子器件的主要技术指标　22

2.2　不可控器件——电力二极管　22

2.2.1　电力二极管的结构与工作原理　22

2.2.2　电力二极管的主要特性　23

2.2.3　电力二极管的主要参数　23

2.3　半控型器件——晶闸管　25

2.3.1　晶闸管的结构与工作原理　25

2.3.2　晶闸管的主要特性　27

2.3.3　晶闸管的主要参数　28

2.3.4　晶闸管的门极触发电路　31

2.3.5　晶闸管的派生器件　31

2.4　全控型器件　32

2.4.1　门极可关断晶闸管　32

2.4.2　功率场效应晶体管　35

2.4.3　绝缘栅双极型晶体管　38

2.4.4　集成门极换流晶闸管　41

2.4.5　智能功率模块　44

2.5　电力电子器件的保护　45

2.5.1　过电压保护　45

2.5.2　过电流保护　46

2.5.3　缓冲电路　47

2.5.4　器件温度控制　49

小结　51

习题　52

第3章　DC/DC变换电路　54

3.1　概述　54

3.2　单管非隔离变换电路　55

3.2.1　Buck变换器　56

3.2.2　Boost变换器　59

3.2.3　Boost/Buck变换器　62

3.2.4　Cuk变换器　63

3.2.5　Zeta变换器　64

3.2.6　Sepic变换器　64

3.2.7　非隔离变换电路的比较　65

3.3　单管隔离式变换电路　65

3.3.1　单端反激变换器　65

3.3.2　单端正激变换器　68

3.4　多管变换电路　70

3.4.1　推挽变换器　70

3.4.2　半桥变换器　70

3.4.3　全桥变换器　71

3.4.4　隔离变换电路的比较　71

3.5　双向变换器　72

3.5.1　Buck/Boost双向变换器　72

3.5.2　Cuk双向变换器　72

3.5.3　三相Buck/Boost双向变换器　73

小结　74

习题　74

第4章　AC/DC变换电路　76

4.1　概述　76

4.1.1　整流电路的分类　76

4.1.2　整流电路的学习方法　77

4.2　相控整流电路　78

4.2.1　相控整流电路一般结构　78

4.2.2　单相可控整流电路　78

4.2.3　三相可控整流电路　90

4.2.4　变压器漏感对相控整流电路的影响　100

4.2.5　相控整流电路的设计方法及举例　103

4.3　PWM整流电路　105

4.3.1　PWM整流器的简单原理　106

4.3.2　PWM整流器的分类　107

4.3.3　电压型PWM整流器拓扑结构　108

4.3.4　电流型PWM整流器拓扑结构　109

4.3.5　三相VSR的电流控制技术　110

4.3.6　三相VSR的其他控制策略　112

小结　114

习题　114

第5章　DC/AC变换电路　117

5.1　概述　117

5.1.1　逆变电路的分类　118

5.1.2　DC/AC变换的工作原理　118

5.1.3　逆变电路的换流方式　119

5.2　电压型DC/AC变换电路　121

5.2.1　电压型单相逆变电路　121

5.2.2　电压型三相全桥式逆变电路　125

5.3　电流型DC/AC变换电路　128

5.3.1　电流型单相桥式逆变电路　128

5.3.2　电流型三相桥式逆变电路　128

5.4　谐振式逆变电路　129

5.4.1　电压型串联谐振逆变电路　130

5.4.2　电流型并联谐振逆变电路　132

5.5　DC/AC变换的多重化技术　134

5.5.1　电压型逆变器的多重化　134

5.5.2　电流型逆变器的多重化　136

5.5.3　单元串联型高压逆变器　137

5.5.4　多电平型高压逆变器　139

5.6　变频器　140

5.6.1　变频器的构成及基本功能　141

5.6.2　变频器的控制方式　143

小结　143

习题　144

第6章　AC/AC变换电路　145

6.1　交流电力电子开关　145

6.2　单相交流调压电路　146

6.2.1　相控式单相交流调压电路　146

6.2.2　斩控式单相交流调压电路　149

6.3　三相交流调压电路　151

6.3.1　三相相控式交流调压电路　151

6.3.2　三相斩控式交流调压　152

6.4　交流调功电路　153

6.5　交-交变频电路　154

6.5.1　单相交-交变频电路原理　154

6.5.2　交-交变频电路的调制方式　156

6.5.3　交-交变频电路的控制　158

6.5.4　交-交变频电路的工作特性　159

6.5.5　三相交-交变频电路　160

6.6　矩阵式变频电路　163

小结　164

习题　165

第7章　PWM控制技术　166

7.1　PWM控制的基本原理　166

7.2　PWM控制的分类　167

7.3　SPWM控制　170

7.4　马鞍波PWM的调制原理　172

7.5　两电平SVPWM控制　174

7.5.1　两电平逆变器的空间电压矢量　175

7.5.2　两电平SVPWM算法　176

7.6　三电平载波PWM控制　177

7.6.1　三角载波层叠法　178

7.6.2　优化PWM方法　181

7.7　三电平SVPWM控制　182

7.7.1　三电平逆变器的空间电压矢量　182

7.7.2　基本矢量及其对中点电压的影响　184

7.7.3　三电平SVPWM控制的算法　186

小结　191

习题　191

附录　英文缩写　192

参考文献　1942100433B

电力电子技术作为电能高效变换和高效利用的关键技术，已经广泛应用于工业生产、新能源发电、现代化交通、航空航天、信息系统等众多领域。随着电力电子技术的发展，电力电子技术已经成为一门系统科学——电力电子学。本书由四部分组成，第壹部分是电力电子学的预备知识；第二部分是基本电力电子变换器原理和设计；第三部分是电力电子变换器的通用技术；第四部分是电力电子变换器的应用。

电力电子学预备知识

学习电力电子学课程需要先修电路理论、数字电子技术、模拟电子技术、电机学等课程。

电力电子学学习资料