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简介
目 录
前 言
本书主要符号说明
绪 论.................I
第一章功率二极管、n恻曾及单相
相控發流电路...........4
第一节功率二极管(Power Diode) ……4
第二节 晶俯管(Thyristor) . 8
第三节单相相控整流电路(Single-
Phase Controlled Rectification
Circuit) ..... 16
第四节 晶佩管简单触发电路(Trigger
Circuit) ..... 32
思考题与习题.............36
第二章三相相控聲流电路(Three-
Phase Controlled Rectification
Circuit) ...... 40
笫一节三相半波相控整流电路.......40
第二节三相桥式相控整流电路.......44
第三节孰流电路的换相压降、外特性
和直流电动机的机械特性.....50
第四节 品傾管的保护(Protection)与
容量扩展...........54
笫五节晶傾管相控触发电路........60
第六节触发脉冲与主电路龟压的
同步——脉冲变压群
与防误胜发措施........71
思考题与习题 ............76
第三章矗兩管有源逆变 (Active Reverse)
电路..............79
第一节有源逆变的工作原理.......79
第二节晶间管直流可逆拖动(Reversible
Drive)的工作原理....83
第三节绕线转于异步电动机串级调速与高
压直流输电...............87
第四节晶啊管装置的功率因数、谐波与对
电网的影响...............90
思考题与习题 ...........94
第四章全控型电力电子器件........95
弟一节 电力晶体管(GTR) .. 95
第二节可关断晶闻管(GTO) . 103
第三节功率场效应晶体管(Power
MOSFET) .... 107
第四节绝缘栅双极晶体管(IGBT) - 114
第五节电力电于器件的缓神电路……123
第六节其它新理电力电子器件......127
思考题与习题 ..........133
第五章 直流斩波龟路(Choppter)…134
第一节苴流新波的工作原理.......134
第二节直流新波器基本电路.......135
第三节普通品俯管组成的直流新波
电路...........139
笫四节全控型耕件组成的浙波电路应用
实例...........142
第五节多相多重新波电路......143
第六节间接直流变流电路..... 145
小结 ..............148
思考题与习题 ..........149
第六章交流调压电路..........151
第一节 双向晶俐管(Bidirectional
Thyristor) . 151
第二节晶闸管交流开关.......153
第三节单相和三相交流调压电路……156
第四节交诡斩波调压电路......163
小结 ..............165
思考题与习题 ..........165
第七章变频电路............167
第一节变频电路的基本紙念.......167
第二节谐振型逆变电路.......170
第三节三相逆变器.........173
第四节 眛宽调制(Pulse Width Modulation)
技术 ..........184
第五节交流变频调速原理......187
'第六节电力电子电路的计算机分析与
仿真 .........189
小结 .............194
思考题与习题 .........194
第八章察型电力电子装置介绍.......196
第一节应用IGBT器件的开关稔压
电潭 ..........196
笫二节不间断电源（UPS） .. 201
第三节矗傾管中烦电源.......210
实睑 ..............213
实验一櫥齿波同步触发龟路的研究…213
实验二三相全控桥式是流电路的
研究..........214
实验三IGBT斩波电路的研究...218
附录实验装置介绍.........220
参考文献 ...........222
绪 论
一、 “电力电子技术”概述
以龟力为对象的电子技术称为电力电子技术，它是一门利用各种电力电子器件，对电能
进行电压、电流、频率和波形等方面的控制和变换的学科•
电力电子技术包括电力电子器件、电路和控制三个部分，是横跨电力、电子和控制三大
电气工程技术之间的交叉学科，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。半导体电于技术
发展至今已形成二大技术领域，即以集成电路为核心的微电子技术和以功率半导体器件（亦
称电力电子器件）为核心的电力电子技术，前者主要用于侑息处理，向小功率发展，后者主
要用于对电力的处理，向大功率多功能发展。
由于电力电子器件具有体积小、重童轻、容量大、损耗小、寿命长、维护方便、控制性
能好以及可采用集成电路制造工艺等优点，用它组成的装貿具有可靠性高、节能、性能好等
优点。近半个世纪来，各种电力电子新器件不断涌现，应用范围已从传统的工业、交通、电
力等部门，扩大到信息通信、家用电器以至宇宙开发等领域。实际上，电力电子技术的发展
已不局限于高电压大电流的工业范畴，当你开车、乘电梯、使用计算机、打开空调、用微波
护、使用冰箱、用手携电话、看电视听音乐时，你都在与电力电子技术打交道，电力电子技
术已发展为一种无所不在的技术。
电力电子器件的发展可分为两个阶段：
（1） 传统电力电子器件 主要是功率整流管与晶闸管（曾称可控硅），属于不控与半控
器件。自1957年生产第一只晶间管以来，现已由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸
管、双向晶闡管、不对祢晶闸管等品种，器件的电压、电流等技术参数均有很大提高，单只
普通晶闸管的容■已达8000V. 6000Ao此类器件通过门极只能控制开通而不能控制关断，
另外它立足于分立元件结构，工作频率难以提高，因而大大限制了其应用范围°但是晶闸管
器件价格相对低廉，在大起流、高电压的发展空间依然较大.目前以晶同管为核心的设备仍
然在许多场合使用，晶闸管及其相关知识目前仍是初学者的基础。
（2） 现代电力电子器件 80年代以来，将微电子技术与电力电子技术相结合，研制岀
新一代高频、全揑型器件称为现代电力电子器件。主要有功驱晶体管（GTR）,可关断晶闸
管（GTO）、功率场控晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS门极晶闸管
（MCT）等。最有发展前途的是绝缘栅双极晶体管（IGBT）与MOS门极晶俐管（MCT>,
两者均为场控复合器件，工作频率可达20kHz。目前IGBT器件已取代GTR,而MCT将可
能会取代晶闸管与GTO,功率MOS在低压高频变流领域仍有发展潜力。
二、 电力电子技术的主要功能与应用 •
电力电子电路是以电力电子器件为核心，通过对不同电路的各种控制来实现对电能的转
换和控制，它的基本功能有以下四种：
1）整流与W控整流龟路亦称交流、直流（AC/DC）变换电路，把交流电变换为固定或
可调直流。
2
2) 逆变电路亦称直流、交流(DC/AC)变换电路，把直流电变换成频率固定或频率可
调的交流电。如把直流电能逆变成50Hz的交流返送交流电网称为有源逆变，把直流电能逆
变为固定频率或频率可调的交流供给用龟器则称为无源逆变。
3) 直流斩波电路亦称DC./DC变换电路，其功能是把固定直流变换成可调或固定直流。
4) 交流调压与周波变换亦称AC/AC变换电路，把恒是交流变换为可变交流称为交流
调压，把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频电路°
在实际使用时可将一种或几种功能电路进行组合，上述四种电路的变换功能统称为变
流，因此电力电子技术通常也称为变流技术。也可形象通俗地讲，变流技术是将电网的交流
电，所谓的“粗电”，通过电力电子龟路进行处理变换，精炼到使龟能在稳定、波形、频率、
数值、抗干扰性能等方面符合•各种用电设备需要的“精电”过程。据先进国家90年代的统
计资料，超过60%以上的电能是经过电力电子技术处理变换后才使用的。
电力电子技术在生产与生活中的具体应用主要有：宜流可调电源、电镀、电解、加热、
照明控制与节能照明、不停电电源(UPS)与开关电源、充电、电磁合闸、龟机励磁、电埠
接、电网无功与谐波补偿、高压直流输电、光电池与燃料电池变换、固态断路器、感应加
热、电机直流调速与变频交流调速、电力牵引｛地铁机车、矿山机车、城市电车、电瓶车、
电动汽车)、汽车电气、计算机及通信电源，以及各类家电与便携式电器等。
三、龟力电子技术的发展
(一)电力电子器件的发展
器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞
跃都是以新器件的出现为契机的。电力电子器件的发展方向主要在以下六个方面：
(1) 大容暈化。应用微电子工艺，使单个器件的电压、电流容量进一步提高，以满足高
压大电流需要。
(2) 高频化。采用新材料、新工艺，在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速度，使
装置运行在更高频率：频率提髙不仅可提高系统的性能、改善波形，而且大大减少装置的体
积与重量，因此高频器件的技术性能指标用容量X工作频率来衡
(3) 易驱动。由电流驱动发展为电压驱动，大力发展MOS结构的复合器件如IGBT、
MCT。由于控制驱动功率小，因此可研制专用集成驱动模块.甚至把驱动与器件制作于一
个芯片，以便更适合中小功率控制。
(4) 降低导通压降。研制出比肖特基二极管正向压降还低的器件以提高变流效率、节省
电能，特别适用于便携式低压电器。
(5) 模块化。采用制造新工艺如塑封化、表面贴装化和桥式化，将几个器件封装在一起
以缩小体积与减少连线。如几个IGBT器件与续流管以及保护、检测器件、驱动等组成桥式
模块，称智能器件，缩写为IPM (Intelligent Power Module)□
(6) 功率集成化。充分应用集成电路工艺，将驱动、保护、检测、控制、自诊断等功能
与电力电子器件集成于一块芯片，发展为功率集成电路PIC (Power Integrated Circuit),实
现集成电路功率化、功率器件集成化，使功率与信息集成在一起，成为机电一体化的接口，
并逐步向智能化(Smart PIC)方向发展。
(-)变流电路与控制的发展
传统电力电子技术以整流为土导，以移相触发(相控)、模拟控制方式为主。80年
代高频全控器件的出现，使逆变、斩波电路的应用日益广泛C由于逆变、斩波电路中都需要
宜流电源，因此整流电路仍占重要地位。在逆变、斩波电路中，以斩控形式的脉宽调制
(PWM)技术大量应用，使变流装置的功率因数提高、谐波减少、动态响应快。特别是以微
处理器实现的数字控制替代了模拟控制，并应用了静止旋转坐标变换的矢景控制，使电力电
子技术日臻完善。
电力电子技术在21世纪的主要研究方向之 是实现电力电子装置的所谓“无公害即绿
色化”，其含义是；装置cos© = l、输入电流止弦无谐波，电压、电流过零切换，以实现开
关损耗降为零且避免装置对电网与负載的电磁辐射和射频干扰C
四、课程性质与学习方法
电力电子技术是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程.在高等学校
电气工程类专业中被确定为主干课程。
学习本课程时，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■做到器
件、电路、应用三者结合。在学习方法上要特别注意电路的波形与相位分析，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，同时要注
意培养读图与分析能力，掌握器件计算、测量、调整以及故障分析等方面的实践能力，
本课程涉及高等数学、电工基础、电子技术、龟机拖动等知识，学习时需要复习相关课
程并综合运用所学知识。
目 录
前 言
本书主要符号说明
绪 论.................I
第一章功率二极管、n恻曾及单相
相控發流电路...........4
第一节功率二极管(Power Diode) ……4
第二节 晶俯管(Thyristor) . 8
第三节单相相控整流电路(Single-
Phase Controlled Rectification
Circuit) ..... 16
第四节 晶佩管简单触发电路(Trigger
Circuit) ..... 32
思考题与习题.............36
第二章三相相控聲流电路(Three-
Phase Controlled Rectification
Circuit) ...... 40
笫一节三相半波相控整流电路.......40
第二节三相桥式相控整流电路.......44
第三节孰流电路的换相压降、外特性
和直流电动机的机械特性.....50
第四节 品傾管的保护(Protection)与
容量扩展...........54
笫五节晶傾管相控触发电路........60
第六节触发脉冲与主电路龟压的
同步——脉冲变压群
与防误胜发措施........71
思考题与习题 ............76
第三章矗兩管有源逆变 (Active Reverse)
电路..............79
第一节有源逆变的工作原理.......79
第二节晶间管直流可逆拖动(Reversible
Drive)的工作原理....83
第三节绕线转于异步电动机串级调速与高
压直流输电...............87
第四节晶啊管装置的功率因数、谐波与对
电网的影响...............90
思考题与习题 ...........94
第四章全控型电力电子器件........95
弟一节 电力晶体管(GTR) .. 95
第二节可关断晶闻管(GTO) . 103
第三节功率场效应晶体管(Power
MOSFET) .... 107
第四节绝缘栅双极晶体管(IGBT) - 114
第五节电力电于器件的缓神电路……123
第六节其它新理电力电子器件......127
思考题与习题 ..........133
第五章 直流斩波龟路(Choppter)…134
第一节苴流新波的工作原理.......134
第二节直流新波器基本电路.......135
第三节普通品俯管组成的直流新波
电路...........139
笫四节全控型耕件组成的浙波电路应用
实例...........142
第五节多相多重新波电路......143
第六节间接直流变流电路..... 145
小结 ..............148
思考题与习题 ..........149
第六章交流调压电路..........151
第一节 双向晶俐管(Bidirectional
Thyristor) . 151
第二节晶闸管交流开关.......153
第三节单相和三相交流调压电路……156
第四节交诡斩波调压电路......163
小结 ..............165
思考题与习题 ..........165
第七章变频电路............167
第一节变频电路的基本紙念.......167
第二节谐振型逆变电路.......170
第三节三相逆变器.........173
第四节 眛宽调制(Pulse Width Modulation)
技术 ..........184
第五节交流变频调速原理......187
'第六节电力电子电路的计算机分析与
仿真 .........189
小结 .............194
思考题与习题 .........194
第八章察型电力电子装置介绍.......196
第一节应用IGBT器件的开关稔压
电潭 ..........196
笫二节不间断电源（UPS） .. 201
第三节矗傾管中烦电源.......210
实睑 ..............213
实验一櫥齿波同步触发龟路的研究…213
实验二三相全控桥式是流电路的
研究..........214
实验三IGBT斩波电路的研究...218
附录实验装置介绍.........220
参考文献 ...........222
绪 论
一、 “电力电子技术”概述
以龟力为对象的电子技术称为电力电子技术，它是一门利用各种电力电子器件，对电能
进行电压、电流、频率和波形等方面的控制和变换的学科•
电力电子技术包括电力电子器件、电路和控制三个部分，是横跨电力、电子和控制三大
电气工程技术之间的交叉学科，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。半导体电于技术
发展至今已形成二大技术领域，即以集成电路为核心的微电子技术和以功率半导体器件（亦
称电力电子器件）为核心的电力电子技术，前者主要用于侑息处理，向小功率发展，后者主
要用于对电力的处理，向大功率多功能发展。
由于电力电子器件具有体积小、重童轻、容量大、损耗小、寿命长、维护方便、控制性
能好以及可采用集成电路制造工艺等优点，用它组成的装貿具有可靠性高、节能、性能好等
优点。近半个世纪来，各种电力电子新器件不断涌现，应用范围已从传统的工业、交通、电
力等部门，扩大到信息通信、家用电器以至宇宙开发等领域。实际上，电力电子技术的发展
已不局限于高电压大电流的工业范畴，当你开车、乘电梯、使用计算机、打开空调、用微波
护、使用冰箱、用手携电话、看电视听音乐时，你都在与电力电子技术打交道，电力电子技
术已发展为一种无所不在的技术。
电力电子器件的发展可分为两个阶段：
（1） 传统电力电子器件 主要是功率整流管与晶闸管（曾称可控硅），属于不控与半控
器件。自1957年生产第一只晶间管以来，现已由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸
管、双向晶闡管、不对祢晶闸管等品种，器件的电压、电流等技术参数均有很大提高，单只
普通晶闸管的容■已达8000V. 6000Ao此类器件通过门极只能控制开通而不能控制关断，
另外它立足于分立元件结构，工作频率难以提高，因而大大限制了其应用范围°但是晶闸管
器件价格相对低廉，在大起流、高电压的发展空间依然较大.目前以晶同管为核心的设备仍
然在许多场合使用，晶闸管及其相关知识目前仍是初学者的基础。
（2） 现代电力电子器件 80年代以来，将微电子技术与电力电子技术相结合，研制岀
新一代高频、全揑型器件称为现代电力电子器件。主要有功驱晶体管（GTR）,可关断晶闸
管（GTO）、功率场控晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS门极晶闸管
（MCT）等。最有发展前途的是绝缘栅双极晶体管（IGBT）与MOS门极晶俐管（MCT>,
两者均为场控复合器件，工作频率可达20kHz。目前IGBT器件已取代GTR,而MCT将可
能会取代晶闸管与GTO,功率MOS在低压高频变流领域仍有发展潜力。
二、 电力电子技术的主要功能与应用 •
电力电子电路是以电力电子器件为核心，通过对不同电路的各种控制来实现对电能的转
换和控制，它的基本功能有以下四种：
1）整流与W控整流龟路亦称交流、直流（AC/DC）变换电路，把交流电变换为固定或
可调直流。
2
2) 逆变电路亦称直流、交流(DC/AC)变换电路，把直流电变换成频率固定或频率可
调的交流电。如把直流电能逆变成50Hz的交流返送交流电网称为有源逆变，把直流电能逆
变为固定频率或频率可调的交流供给用龟器则称为无源逆变。
3) 直流斩波电路亦称DC./DC变换电路，其功能是把固定直流变换成可调或固定直流。
4) 交流调压与周波变换亦称AC/AC变换电路，把恒是交流变换为可变交流称为交流
调压，把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频电路°
在实际使用时可将一种或几种功能电路进行组合，上述四种电路的变换功能统称为变
流，因此电力电子技术通常也称为变流技术。也可形象通俗地讲，变流技术是将电网的交流
电，所谓的“粗电”，通过电力电子龟路进行处理变换，精炼到使龟能在稳定、波形、频率、
数值、抗干扰性能等方面符合•各种用电设备需要的“精电”过程。据先进国家90年代的统
计资料，超过60%以上的电能是经过电力电子技术处理变换后才使用的。
电力电子技术在生产与生活中的具体应用主要有：宜流可调电源、电镀、电解、加热、
照明控制与节能照明、不停电电源(UPS)与开关电源、充电、电磁合闸、龟机励磁、电埠
接、电网无功与谐波补偿、高压直流输电、光电池与燃料电池变换、固态断路器、感应加
热、电机直流调速与变频交流调速、电力牵引｛地铁机车、矿山机车、城市电车、电瓶车、
电动汽车)、汽车电气、计算机及通信电源，以及各类家电与便携式电器等。
三、龟力电子技术的发展
(一)电力电子器件的发展
器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞
跃都是以新器件的出现为契机的。电力电子器件的发展方向主要在以下六个方面：
(1) 大容暈化。应用微电子工艺，使单个器件的电压、电流容量进一步提高，以满足高
压大电流需要。
(2) 高频化。采用新材料、新工艺，在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速度，使
装置运行在更高频率：频率提髙不仅可提高系统的性能、改善波形，而且大大减少装置的体
积与重量，因此高频器件的技术性能指标用容量X工作频率来衡
(3) 易驱动。由电流驱动发展为电压驱动，大力发展MOS结构的复合器件如IGBT、
MCT。由于控制驱动功率小，因此可研制专用集成驱动模块.甚至把驱动与器件制作于一
个芯片，以便更适合中小功率控制。
(4) 降低导通压降。研制出比肖特基二极管正向压降还低的器件以提高变流效率、节省
电能，特别适用于便携式低压电器。
(5) 模块化。采用制造新工艺如塑封化、表面贴装化和桥式化，将几个器件封装在一起
以缩小体积与减少连线。如几个IGBT器件与续流管以及保护、检测器件、驱动等组成桥式
模块，称智能器件，缩写为IPM (Intelligent Power Module)□
(6) 功率集成化。充分应用集成电路工艺，将驱动、保护、检测、控制、自诊断等功能
与电力电子器件集成于一块芯片，发展为功率集成电路PIC (Power Integrated Circuit),实
现集成电路功率化、功率器件集成化，使功率与信息集成在一起，成为机电一体化的接口，
并逐步向智能化(Smart PIC)方向发展。
(-)变流电路与控制的发展
传统电力电子技术以整流为土导，以移相触发(相控)、模拟控制方式为主。80年
代高频全控器件的出现，使逆变、斩波电路的应用日益广泛C由于逆变、斩波电路中都需要
宜流电源，因此整流电路仍占重要地位。在逆变、斩波电路中，以斩控形式的脉宽调制
(PWM)技术大量应用，使变流装置的功率因数提高、谐波减少、动态响应快。特别是以微
处理器实现的数字控制替代了模拟控制，并应用了静止旋转坐标变换的矢景控制，使电力电
子技术日臻完善。
电力电子技术在21世纪的主要研究方向之 是实现电力电子装置的所谓“无公害即绿
色化”，其含义是；装置cos© = l、输入电流止弦无谐波，电压、电流过零切换，以实现开
关损耗降为零且避免装置对电网与负載的电磁辐射和射频干扰C
四、课程性质与学习方法
电力电子技术是一门专业基础性质很强且与生产应用实际紧密联系的课程.在高等学校
电气工程类专业中被确定为主干课程。
学习本课程时，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■做到器
件、电路、应用三者结合。在学习方法上要特别注意电路的波形与相位分析，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，同时要注
意培养读图与分析能力，掌握器件计算、测量、调整以及故障分析等方面的实践能力，
本课程涉及高等数学、电工基础、电子技术、龟机拖动等知识，学习时需要复习相关课
程并综合运用所学知识。
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