电力电子技术.pdf

中等职业教育电类专业规划教材 电力电子技术 程 周 丛书主编 赵建平 主 编 程 周 主 审 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本教材立足于培养应用型技术人才，以能力培养为目标，本着理论适度、够用为原则，力求反映电力电子技术器件、电路、应用方面的基础知识与基本技能，注重实用电路及其应用的介绍。内容包括电力电子典型器件、交流直流变换技术、直流交流变换技术、交流交流变换技术、PWM 技术及电力电子技术的典型应用。在每章后附有本章小结，对本章主要内容进行概述，另外在每章后安排有一定量的练习与思考题，供读者巩固所学知识。本书可供电气运行与控制专业、机电技术应用等专业教学使用，也可供有关人员作为电力电子技术入门自学用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 电力电子技术赵建平主编.北京：电子工业出版社，2009.1 中等职业教育电类专业规划教材 ISBN 978-7-121-07340-3 I.电 .赵 .电力电子学专业学校教材.TM1 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2008）第 136284 号 策划编辑：白 楠 责任编辑：李 影 张 凌 特约编辑：李印清 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：6.25 字数：160 千字 印 次：2009 年 1 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：12.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 电力电子技术是中等职业学校电气运行与控制、机电技术应用等专业的一门重要技术基础课。根据中职学生的认知特点及学生所具备的实际知识基础，本着以就业为目标、以市场为导向、以能力为本位、以对理论知识的处理根据必需、够用的原则进行编写，力求体现中等职业教育的性质、任务和培养目标，反映电力电子器件、电路、技术及应用方面的基本内容，突出教材的基础性与实用性。本教材共分 6 章，第 1 章以电力电子器件为核心，介绍了功率二极管、晶闸管、GTO、GTR、功率 MOSFET、IGBT 等主要电力电子器件的内部结构、基本原理、主要参数、性能特性等基本内容；第 25 章主要分别介绍了电力电子的变流电路，主要包括交流直流变换技术即可控整流电路，直流交流变换技术即逆变电路，交流交流变换技术即交流变换电路，PWM 技术等电力电子应用电路的基本原理，基本公式及电路应用等基本知识；第 6 章从应用的角度介绍了开关电源、不间断电源、通用变频器等典型装置的组成、基本原理及应用。本书在语言表述、插图配备等方面结合目前中职学生的文化程度，力求通俗易懂，深入浅出，每章末附有就基本内容设置的练习与思考题，供读者巩固所学知识。本书可作为中等职业教育电气运行与控制、机电技术应用及其他电类专业教材，也可供有关人员作为电力电子技术入门的参考用书。本教材立足于培养应用型技术人才，本课程是一门实践性较强的课程，考虑到各校的实验设备均不相同，这里没有给出实验指导书，希望各学校在使用本教材时，根据自身设备编制具体的实验指导书，以配合本课程的教学。本书由赵建平任主编、游平担任副主编，程周主审，提出了宝贵的修改意见。在此一并致谢。为了方便教师教学，本书还配有教学指南、电子教案及习题答案（电子版），请有此需要的教师登录华信教育资源网（ 或 ）免费注册后再进行下载，在有问题时请在网站留言板留言或与电子工业出版社联系（E-mail:）。由于作者水平所限，书中疏漏和错误之处在所难免，欢迎广大读者提出宝贵意见。编 者 2008 年 10 月 V 目 录 绪论1 第 1 章 电力电子器件3 1.1 概述3 1.2 电力二极管4 1.2.1 PN 结的形成4 1.2.2 PN 结的单向导电性与反向击穿 5 1.2.3 二极管的特性与参数7 1.2.4 二极管的分类 9 1.2.5 散热措施10 1.3 晶闸管及其派生器件11 1.3.1 晶闸管的结构与特性11 1.3.2 晶闸管的参数与型号13 1.3.3 派生器件14 1.4 门极可关断晶闸管（GTO）17 1.4.1 结构与工作原理17 1.4.2 伏安特性18 1.4.3 基本参数18 1.4.4 GTO 的驱动18 1.5 电力晶体管19 1.5.1 结构与基本原理19 1.5.2 基本特性与安全工作区19 1.5.3 基本参数20 1.5.4 功率晶体管的驱动21 1.5.5 达林顿晶体管 21 1.6 功率场效应晶体管22 1.6.1 结构与基本原理22 1.6.2 特性23 1.6.3 基本参数23 1.6.4 功率 MOSFET 的驱动与保护24 1.7 绝缘栅双极晶体管24 1.7.1 结构与基本原理25 1.7.2 特性25 VI 1.7.3 基本参数与安全工作区26 1.7.4 IGBT 的驱动27 1.8 其他新型电力电子器件28 1.8.1 其他新型电力电子开关器件28 1.8.2 智能功率模块与功率集成电路29 本章小结29 练习与思考30 第 2 章 交流直流变换器31 2.1 单相可控整流电路31 2.1.1 单相半波可控整流电路31 2.1.2 单相桥式全控整流电路34 2.1.3 单相全波可控整流电路37 2.1.4 单相桥式半控整流电路37 2.2 三相可控整流电路39 2.2.1 三相半波可控整流电路39 2.2.2 三相桥式全控整流电路43 本章小结48 练习与思考48 第 3 章 直流交流变换器50 3.1 概述50 3.2 电力电子器件的换流方式50 3.3 有源逆变电路 52 3.3.1 单相有源逆变电路52 3.3.2 三相有源逆变电路54 3.3.3 逆变失败及最小逆变角的限制56 3.4 无源逆变电路 57 3.4.1 无源逆变的分类和用途58 3.4.2 无源逆变电路的工作原理 58 3.5 电压型逆变电路59 3.5.1 单相电压型逆变电路59 3.5.2 三相电压型逆变电路61 3.6 电流型逆变电路63 本章小结65 练习与思考65 VII 第 4 章 交流交流变换器66 4.1 晶闸管交流电压控制器的类型 66 4.2 单相交流电压控制器66 4.2.1 电阻性负载66 4.2.2 阻感负载67 4.3 三相交流调压电路69 4.3.1 星形联结电路 70 4.3.2 支路控制三角形联结电路71 本章小结71 练习与思考72 第 5 章 PWM 控制技术73 5.1 概述73 5.2 PWM 控制的基本原理73 5.3 单相桥式 PWM 逆变电路 75 5.4 三相桥式 PWM 逆变电路 77 5.5 逆变电路的其他 PWM 控制方法79 本章小结80 练习与思考80 第 6 章 电力电子技术应用实例81 6.1 开关电源81 6.1.1 开关电源的构成和基本原理 81 6.1.2 开关电源的特点82 6.2 不间断电源82 6.3 通用变频器84 本章小结86 练习与思考86 参考文献87 绪 论 1 绪 论 绪 论 电力电子技术虽然诞生的时间不长，但它的应用领域却极广，无论是传统工业，如电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等行业的技术改造，还是高新技术产业，如航天、激光、通信、机器人等领域，无不闪现着电力电子技术的身影，电力电子技术的应用几乎遍及国民经济的各个工业部门，乃至日常生活的诸多方面。电力电子技术已迅速发展成为融合控制技术、电力技术、电机工程和电子技术等多学科知识于一体的综合性技术。电力电子技术及其产业的进一步发展为社会节能降耗、提高生产效率提供了行之有效的技术手段，必将给人类社会现代化生产和现代化生活带来深远的影响。电力电子技术是与电能处理相关的一门综合性技术。将电子技术与控制技术应用到电力领域，通过电力电子器件组成的各种电力变换电路，实现电能的转换与控制，称为电力电子技术。它主要包括电力电子器件、电力电子电路（变流电路）和控制技术三个组成部分。其中，电力电子器件是基础，变流电路是核心，控制技术是纽带。1957 年美国通用电气（GE）公司发明了半导体开关器件晶闸管，以此为基础的可控硅整流装置的出现，标志着电力电子技术的诞生。在随后的 50 多年里，电力电子技术在器件、变流电路、控制技术等方面都发生了日新月异的变化。电力电子器件的发展一般可分为三代，第一代电力电子器件是硅整流管（又称电力二极管）及晶闸管。硅整流管产生于 20 世纪 40 年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前，硅整流管已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种主要类型。硅整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面具有非常重要的作用。目前又研制出一些新型高压快恢复整流管。晶闸管的诞生为电力电子新器件的不断出现奠定了基础。1964 年双向晶闸管开发成功；1965 年小功率光触发晶闸管出现；20 世纪 60 年代后期，大功率逆变晶闸管问世；1974 年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。到 20 世纪 70 年代，晶闸管已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频（400Hz 以下）领域。双向晶闸管常用于交流调压和调功电路中。光控晶闸管用于高压直流输电（HVDC）、静止无功功率补偿（SVC）等领域。逆变晶闸管主要用于中频感应加热。非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管，逆导晶闸管是非对称晶闸管的一种，逆导晶闸管主要用于逆变器和整流器中。由晶闸管及其派生器件构成的各种电力电子系统大大提高了电能的利用率，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。第二代电力电子器件具有自关断能力，是超大功率、高频全控器件，它极大地提高了开关控制的灵活性。自 20 世纪 70 年代中期起，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）等通、断两态双可控器件相继问世，电力电子器件日趋成熟。电力电子技术 2 全控型器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。第三代电力电子器件将是智能功率集成电路或功率 IC。20 世纪 90 年代后，电力电子器件研制进入高频化、标准模块化、集成化和智能化时代。功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路，可分为智能功率集成电路（SPIC）和高压集成电路（HVIC）两类，统称为智能功率集成电路或功率 IC。它实现了器件与电路的集成，强电与弱电、功率流与信息流的集成，成为机和电之间的智能化接口，是机电一体化的基础单元。电力电子技术中变流电路的发展先后经历了整流器阶段、逆变器阶段和变频器阶段，电力电子技术在许多新领域得到应用。20 世纪 60 年代和 70 年代处于整流器阶段，大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，用于电解、牵引和直流传动三大领域中。在 20 世纪 70 年代到 80 年代，进入逆变器阶段，交流电动机变频调速因节能效果显著而迅速发展，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管和门极可关断晶闸管成为当时电力电子器件的主角。20 世纪 80 年代末期和 90 年代初期迎来了变频器大发展的阶段，以功率 MOSFET 和 IGBT 为代表的、集高频高压和大电流于一身的功率半导体复合器件表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。伴随着电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，电力电子电路的控制从最初由分立元件构成的通过相位控制实现目的的控制电路发展到集成控制器，出现多种专用模拟集成控制芯片