第1章电力电子技术概述
1.1电子技术与电力电子技术
什么是电力电子技术？要回答这个问题，*先回顾一下什么是电子技术。从已学过的电子技术课程可以看出，其主要内容包括电子器件和电子电路两部分。其中电子器件相关内容主要讨论半导体器件，包括二极管、结型晶体管和场效应晶体管等，而电子电路相关内容主要讨论模拟电路和数字电路两部分。
模拟电路是模拟运算单元组成的电子电路，主要对连续信号进行处理和传输，其中“模拟”二字主要指利用电压、电流对连续信号进行一定比例的再现。数字电路是由逻辑运算单元组成的电子电路，主要是对离散信号进行处理和传输，其中“数字”二字是指由“0”“1”两个数字表示的离散状态。无论是模拟电路还是数字电路，它们都是由二极管、晶体管等有源器件，以及电阻、电感、电容等无源器件构成，主要使用电压和电流来完成信号的运算和传输。
在电子电路中，还有一种较为特殊的电路，称为电源电路，这种电源电路并不实现信号的传输、运算，而是实现电能变换与传输，如图1-1所示的是一种常用的隔离型串联晶体管式稳压电源电路，用于将交流电转换为稳定的直流电。
假设图1-1中的稳压电源是将220V交流市电转换为稳定的24V低压直流电，则工作原理如下：*先，通过变压器隔离、降压以后，将220V市电降为30V低压交流电；然后，经由二极管构成的变换电路，实现交流-直流的变换，其输出直流电压包含二倍频脉动的交流电压纹波，为消除交流电压纹波的影响，可通过电容C1实现电压滤波，形成36V左右的平稳直流电压u1。然而，为确保图1-1所示的稳压电路的输出电压稳定，一方面要避免输入交流电波动对直流电容电压的影响，另一方面还要克服负载变化对输出电压的扰动。为此，通过输出电压负反馈来控制输出电压uo，当uo小于指令电压值时，负反馈控制将调节串联晶体管VT基极电流以降低其两端压降uVT使uo上升；而当uo大于指令电压值时，则负反馈控制调节VT两端压降uVT使uo下降；稳态时，uo保持为指令电压值。
从图1-1所示的稳压电源工作原理可以看出，输出电压的负反馈控制使串联晶体管始终工作在线性放大区，以实现对输出电压的稳定控制，因此，这种串联晶体管工作在线性放大区的稳压电路通常称为线性稳压电源。
然而，图1-1所示的线性稳压电源由于工作过程中串联晶体管的损耗与输出电流和晶体管电压uVT成正比，影响了电源电路的工作效率。例如，线性电源的额定输出直流电压为24V，额定输出电流为10A，直流侧电容C1电压为36V，此时，串联晶体管VT的损耗等于10A×（36V.24V）=120W，因此，稳压电源电路的工作效率仅为120W/360W×100%≈33.3%。显然，这种线性电源中的晶体管损耗大、效率低，主要应用在微小功率领域，而在大功率电源领域应用时，晶体管因工作在放大区损耗大，导致发热严重，无法实际应用。
为了使晶体管串联式稳压电源能够应用于大功率领域，就必须设法降低晶体管的工作损耗。实际上，晶体管串联稳压电路的损耗主要是因为晶体管工作在放大区所致，为减少串联晶体管的损耗，可以借鉴数字电路中晶体管的工作状态。在数字电路中，晶体管为了表示数字“0”和“1”，通常工作在“关断”和“导通”两种开关状态，而工作在开关状态时的晶体管损耗则远低于工作在放大状态时的损耗。这主要是因为：晶体管工作在“关断”状态时，晶体管两端虽然承受电压，但流经晶体管的电流仅为微小的漏电流，而当晶体管工作在“导通”状态时，虽然有电流流经晶体管，但导通压降却很低。那么如何利用工作在开关状态的晶体管实现串联晶体管式电源的稳压控制呢？
当晶体管串联式稳压电路工作在持续的开关状态时，其晶体管两端的电压uVT一定是脉冲序列电压。如果控制该脉冲序列电压的平均值与工作在线性放大状态时的晶体管输出电压相等，则两类不同控制的稳压电源输出电压平均值也相等。然而，输出电压中也含有相应的脉冲序列电压，为此，可以通过滤波缓冲电路消除输出电压中的脉冲分量，实现串联晶体管稳压电源的稳压控制。这种晶体管工作在开关状态的稳压电源，通常称为串联晶体管式开关稳压电源，如图1-2所示。
从图1-1和图1-2的稳压电源电路可以看出，晶体管既可以工作在线性放大区，也可以工作在开关状态，实现了电能的变换与传输。这与关注于信息处理与传输的电子技术显然不同，这类电源技术主要关注的是不同类型和不同功率电能变换的实现与工作效率。显然，这类实现电能变换与传输的电子技术有必要进行专门的研究。
实际上，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）将这种应用于电能变换和传输的电子技术专门命名为电力电子技术（Power Electronics）。
1.2电力电子技术基本概念
电力电子技术是通过控制电路中的功率器件实现对电能变换与传输的技术。1974年，在第四届国际电力电子会议上美国学者W.Newell（威廉 纽厄尔）①首次提出了电力电子技术的定义，并用图1-3所示的“倒三角”图形形象表示出了电力电子技术的内涵，即电力电子技术是由电子学、电力学及控制学组成的交叉学科技术，电力电子技术实际上就是一种实现电能变换与传输的专门电子技术。
随着电力电子技术的发展，W.Newell的定义已得到很多学者的认同。而美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的电力电子学会（The Power Electronics Society，PELS）则将电力电子技术定义为：电力电子技术是有效地利用电子元件、应用电路理论和设计技术以及开发分析工具，实现对电能的高效转换、控制和调节的技术。为了使电力电子技术定义更加具体化，美国著名学者B.K.Bose教授于1980年对W.Newell的定义进行了拓展，提出了电力电子技术的Bose定义，如图1-4所示。虽然随着电力电子技术的快速发展，其定义也得到不断地拓展和延伸，但W.Newell的“倒三角”定义仍充分体现了电力电子技术的本质与内涵。
电力电子电路虽然在电路形式上也属于电子电路，但从功率等级、应用场合而言与普通电子电路（模拟电路、数字电路）有显著不同，如表1-1所示。
由表1-1可见，电力电子技术重点探讨的是电力电子器件技术和电力电子变流技术。电力电子器件主要是在电力电子中用作开关或整流的器件，这种器件也称为功率器件，主要包括不控器件（功率二极管）、半控器件（晶闸管）、全控器件（双极结型晶体管、功率场效应晶体管及其他复合型全控器件等）等功率半导体器件；而电力电子变流技术则主要研究不同形式电能的高效变换与控制技术，主要包括DC-DC变换器、AC-DC变换器，AC-AC变换器、DC-AC变换器以及AC-DC-AC等组合变换器等电路的拓扑结构、控制与系统技术。
下面简要介绍电力电子器件和电力电子变流技术的基本概念，以及电力电子系统的组成与控制。
1.2.1电力电子器件
电力电子器件是一类主要应用于电能变换与传输电路中的半导体器件，与信号处理和传输电路中的半导体器件同宗同源，但在功率等级和制造工艺等方面有其自身的特殊性。
电力电子器件包括三大类：不控型器件、半控型器件和全控型器件，其主要器件的电气符号如图1-5所示。
不控型器件主要是指功率二极管，功率二极管跟电子学的普通二极管一样，具有单向导电性，在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大。二极管的导通与关断取决于在电路中承受的电压，无法直接控制。

目录
第1章 电力电子技术概述 1
1.1 电子技术与电力电子技术 1
1.2 电力电子技术基本概念 3
1.2.1 电力电子器件 4
1.2.2 电力电子变流技术 5
1.2.3 电力电子系统的组成与控制 8
1.3 电力电子技术的发展 10
1.4 电力电子技术的应用 11
1.4.1 电源及消费电子 11
1.4.2 变频电源 11
1.4.3 可再生能源发电 12
1.4.4 新能源汽车 12
1.4.5 电气牵引系统 13
1.4.6 冶金工业 13
1.4.7 大功率低速传动 14
1.4.8 电力系统 14
1.4.9 抽水蓄能电站 15
1.5 电力电子技术的课程内容 15
1.6 本书使用指南 16
第2章 电力电子器件及应用 18
2.1 电力电子器件的特点与分类 18
2.1.1 电力电子器件的特点 18
2.1.2 电力电子器件的分类 19
2.2 电力电子器件基础 20
2.3 功率二极管 22
2.3.1 结型功率二极管的基本结构和工作原理 22
2.3.2 结型功率二极管的基本特性 23
2.3.3 快速功率二极管 24
2.3.4 肖特基势垒二极管 25
2.3.5 功率二极管的主要参数 26
2.3.6 功率二极管的应用特点 28
2.4 晶闸管 29
2.4.1 基本结构和工作原理 29
2.4.2 晶闸管特性及主要参数 30
2.4.3 晶闸管派生器件及应用 33
2.4.4 晶闸管的触发 35
2.4.5 晶闸管的应用特点 35
2.5 可关断晶闸管 36
2.5.1 基本结构和工作原理 36
2.5.2 可关断晶闸管特性 37
2.5.3 可关断晶闸管的驱动 38
2.5.4 可关断晶闸管的应用特点 38
2.6 功率场效应晶体管 38
2.6.1 基本结构和工作原理 39
2.6.2 功率MOSFET特性及主要参数 40
2.6.3 功率MOSFET的驱动 42
2.6.4 功率MOSFET的应用特点 42
2.7 绝缘栅双极晶体管 43
2.7.1 基本结构和工作原理 43
2.7.2 IGBT特性及主要参数 43
2.7.3 IGBT的驱动 45
2.7.4 IGBT的应用特点 46
2.8 其他电力电子器件 46
2.8.1 电力晶体管 46
2.8.2 集成门极换流晶闸管 46
2.8.3 电子注入增强栅晶体管 47
2.9 采用新型半导体材料的电力电子器件 47
2.10 电力电子器件封装 49
2.11 电力电子集成技术 51
2.12 电力电子器件应用共性问题 52
2.12.1 电力电子器件的保护 52
2.12.2 电力电子器件的散热 54
2.12.3 电感和电容 56
本章小结 58
思考与练习 59
第3章 DC-DC变换器 60
3.1 DC-DC变换器的基本结构 61
3.1.1 Buck型DC-DC变换器的基本结构 61
3.1.2 Boost型DC-DC变换器的基本结构 63
3.1.3 Boost-Buck型DC-DC变换器的基本结构 64
3.1.4 Buck-Boost型DC-DC变换器的基本结构 66
3.2 DC-DC 变换器换流及其特性分析 67
3.2.1 开关变换器中电容、电感的基本特性 68
3.2.2 Buck变换器换流及其特性分析 68
3.2.3 Boost变换器换流及其特性分析 73
3.2.4 Cuk变换器换流及其特性分析 78
3.3 复合型DC-DC变换器 82
3.3.1 二象限DC-DC变换器 83
3.3.2 四象限DC-DC变换器 84
3.3.3 多相多重DC-DC变换器 84
3.4 变压器隔离型DC-DC变换器 86
3.4.1 隔离型Buck变换器——单端正激式变换器 86
3.4.2 隔离型Buck-Boost变换器——单端反激式变换器 90
3.4.3 隔离型Cuk变换器 93
3.4.4 推挽式变换器 94
3.4.5 全桥变换器 96
3.4.6 半桥变换器 98
本章小结 102
思考与练习 102
第4章 DC-AC 变换器（无源逆变器）105
4.1 概述 105
4.1.1 逆变器的基本原理 105
4.1.2 逆变器的分类 109
4.1.3 逆变器的性能指标 109
4.2 电压型逆变器 110
4.2.1 电压型方波逆变器 110
*4.2.2 电压型阶梯波逆变器 118
4.2.3 电压型正弦波逆变器 125
4.3 空间矢量PWM控制 146
4.3.1 概述 146
4.3.2 三相电压型逆变器空间电压
矢量分析 147
4.3.3 空间电压矢量的合成 150
4.4 电流型逆变器 152
4.4.1 电流型方波逆变器 153
*4.4.2 电流型阶梯波逆变器 158
本章小结 161
思考与练习 162
第5章 AC-DC变换器（整流和有源
逆变电路）164
5.1 概述 164
5.2 不控整流电路 165
5.2.1 单相不控整流电路 165
5.2.2 三相不控整流电路 168
5.2.3 整流滤波电路 170
5.2.4 倍压、倍流不控整流电路 172
5.3 相控整流电路 174
5.3.1 移相控制技术 174
5.3.2 三相半波相控整流电路 177
5.3.3 三相桥式相控整流电路 182
5.3.4 桥式半控整流电路 187
5.3.5 变压器漏感对整流电路的影响 188
5.4 相控有源逆变电路 191
5.4.1 相控有源逆变原理及实现条件 191
5.4.2 逆变失败与*小逆变角 193
5.5 PWM整流电路 196
5.5.1 传统整流电路存在的问题 196
5.5.2 单相APFC整流电路 197
5.5.3 电压型桥式PWM整流电路 199
5.5.4 电流型桥式PWM整流电路 206
5.6 同步整流电路 207
本章小结 208
思考与练习 209
第6章 AC-AC变换器 212
6.1 概述 212
6.2 交流调压电路 213
6.2.1 相控式交流调压电路 214
6.2.2 斩控式交流调压电路 220
6.3 交流电力控制电路 221
6.3.1 交流调功电路 221
6.3.2 交流电力电子开关 222
6.4 交-交变频电路 223
6.4.1 单相相控交-交变频电路 223
6.4.2 三相相控交-交变频电路 226
*6.4.3 矩阵式交-交变频电路 227
本章小结 229
思考与练习 229
第7章 软开关变换器 231
7.1 概述 231
7.1.1 功率电路的开关过程 232
7.1.2 软开关的特征及分类 233
7.2 准谐振变换器 234
7.2.1 零电压开关准谐振变换器 234
7.2.2 零电流开关准谐振变换器 237
7.3 PWM软开关变换器 239
7.3.1 零开关 PWM 变换器 239
7.3.2 零转换PWM 变换器 245
7.4 软开关全桥变换器 251
7.4.1 移相控制软开关PWM全桥变换器 251
7.4.2 LLC谐振全桥变换器 256
本章小结 260
思考与练习 260
参考文献 263