第一章绪论

“电力电子技术”是电气工程及其自动化、自动化等本科专业基础课程，主要介绍如何利用电力电子器件，对交直流电能进行变换和控制。通过课程学习，了解电力电子器件、电力电子系统功能、特性及其发展趋势，掌握电能变换和控制的基本原理、工作流程和数量关系，具备电力电子电路分析、设计和应用的基本能力。

●1.1电力电子技术的发展与应用

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，这里所说的“电力领域”，从功率等级来讲，大可达数百兆瓦甚至吉瓦，小可到数瓦甚至1瓦以下，因此它的应用范围十分广阔。可以说，从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在。电力电子技术在新时代，将发挥更大的作用。

●1.2电力变换类型与基本特性

在现代工业、交通、国防、生活等领域中，大量需要的是各种类型的电力变换装置和变换系统将一种频率、电压、波形的电能，变换为另一种频率、电压、波形的电能，使用电设备处于各自理想的最佳工作状态或满足用电负载的特殊工作要求，从而获得最大的技术、经济效益。经过变换处理后再供给用户使用的电能占全国总发电量的百分比值的髙低，已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一。

第二章电力电子器件

电力电子器件是电力电力电子电路的基础，掌握不同类型的电力电子器件的特性和使用方法是学好电力电子技术的基础。本章将学习到不可控电力电子器件（电力二极管）、半控型电力电子器件（晶闸管）、全控型电力电子器件（MOSFET和IGBT）以及新型电力电子器件和集成模块。

●2.1不可控电力电子器件

电力二极管是典型的不可控电力电子器件，自20世纪50年代初期就获得应用，直至现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备中。某些特殊类型的电力二极管如快恢复二极管和肖特基二极管，在某些电力电子电路中具有不可替代的地位。

●2.2半控型电力电子器件

晶闸管即晶体闸流管，又称作可控硅整流器，于1956年由美国贝尔实验室发明。由于晶闸管开通时刻可以控制，且各方面性能优越，受到当时市场普遍欢迎，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。自20世纪80年代以来，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但由于其承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，因此在大容量应用场合仍然具有比较重要的地位。

●2.3全控型电力电子器件

20世纪80年代以来，产生了一批高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术带入一个全新时代。电力MOSFET和IGBT是全控型电力电子器件的典型代表，它们的特点是开关速度快、热稳定性好、所需驱动功率小，逐渐成为中、大功率电力电子设备的主导器件。

●2.4新型电力电子器件与集成模块

与电力MOSFET和IGBT同时出现的，还有其他新型电力电子器件，如静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、集成门极换流晶闸管IGCT。以碳化硅、氮化镓、金刚石为代表的宽禁带半导体材料的出现，将电力电子器件向更优性能方向推进。以功率集成电路和集成电力电子模块为代表的电力电子集成技术，可在减小装置体积，提高可靠性，降低制造、安装、使用和维护成本等方面带来好处，因此具有广阔的应用前景。

第三章交流-直流变换电路

交流-直流变换电路即整流电路，是电力电子电路中出现最早的一种，主要功能是将交流电能转换为直流电能供给直流设备使用。本章学习到几种典型的可控整流电路，分析和研究其工作原理、数量关系，以及负载性质对整流电路的影响。

●3.1单相整流电路

单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路以及单相桥式半控整流电路。单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次电流中含有直流分量。学习该电路的主要目的在于建立起整流电路的基本概念。单相整流电路中应用较多的是单相桥式全控整流电路。由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，因此不存在变压器直流磁化问题。

●3.2三相整流电路

当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动小、易滤波时，宜采用三相整流电路。为得到零线，三相半波可控整流电路中的变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免三次谐波流入电网。三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电路中含有直流分量，因此应用较少。由于三相桥式全控整流电路具有驱动负载能力强，可控性好，输出电压脉动小等优点，因此成为目前最常见、应用最广泛的整流电路类型。

●3.3电容滤波的不可控整流电路

近年来，在交-直-交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，越来越多地使用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源。这里将介绍一种电容滤波的单相不可控整流电路，常用于小功率单相交流输入的场合，如个人计算机、电视机等家电产品采用的开关电源中。

●3.4整流电路的谐波与功率因数

随着电力电子技术的发展与应用，越来越多的电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等领域频繁出现，由此带来的谐波和无功问题也日益突出。这里将学习到整流电路的谐波和功率因数，重点掌握其概念、定性分析、特点，为后续电力电子装置的电能质量分析与治理打下基础。

第四章逆变电路

与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变，即将直流电能，变成交流电能，供给交流用电设备。本章学习各种基本逆变电路的结构及其工作原理。

●4.1换流方式

换流是指变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移。在晶闸管时代，换流的概念十分重要，到了全控型器件时代，换流概念的重要性有所下降，但它仍然是电力电子电路的一个重要而基本的概念。

●4.2电压型逆变电路

逆变电路可以从不同的角度进行分类，按直流电源的性质分类，可分为电压型和电流型两大类。本节学习各种电压型逆变电路的基本构成、工作原理和特性。

●4.3电流型逆变电路

直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，其换流方式为负载换流和强迫换流。本节学习各种电流型逆变电路的基本构成、工作原理和特性。

●4.4多重逆变电路和多电平逆变电路

矩形波中含有较多的谐波，对负载会产生不利影响。为了减少矩形波中所含的谐波，常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为接近正弦波的波形。也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。本节以电压型逆变电路为例说明多重化和多电平逆变电路的基本原理。

第五章直流-直流变流电路

直流-直流变流电路的功能是将直流电变成另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称为斩波电路。本节学习几种基本的斩波电路结构及其工作原理。

●5.1基本斩波电路

直接直流变流电路也称为斩波电路。本节学习降压斩波电路、升压斩波电路和升降压斩波电路的结构及其工作原理。

●5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路

利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路。利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。

第六章交流-交流变换电路

本章主要学习基于晶闸管的交流-交流变换电路。交流-交流变换电路主要分为频率不变仅改变电压大小交流调压电路和直接将一个较高频率交流电转换为较低频率交流电的相控直接变频器。本章将学习交流-交流变换电路的基本工作原理和负载性质对交流-交流变换电路的影响。

●6.1交流调压控制电路

本节主要学习单相和三相交流调压控制电路的基本工作原理和不同负载性质下的工作特点。要求掌握单相交流调压控制电路在电阻负载和阻感负载下的工作特点和电压电流的计算方法；并进一步掌握三相交流电压控制电路的分析和计算方法。

●6.2交交变频电路

交交变频电路不仅改变输出电压的大小，还可以改变输出电压的频率。本节主要学习交交变频电路的构成和基本工作原理，了解相控整流电路的工作状态，了解变频器输出电压的调制方法和变频器的输入输出特性。

第七章PWM控制技术

“PWM控制技术”目前被广泛应用于逆变和整流变换器装置中，它使电力电子装置的性能大大提高，在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。通过课程学习，掌握PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，了解PWM逆变电路的谐波分析，了解跟踪型PWM逆变电路，了解PWM整流电路。

●7.1PWM控制的基本原理

PWM控制是以面积等效原理为基础，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。通过这种脉冲等效转换来实现对逆变或整流电路的控制。

●7.2PWM逆变电路及其控制方法

PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。因此，逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合，本节内容是本章的主体部分。本节主要包含PWM的计算法和调制法、PWM的异步调制和同步调制、规则采样法以及PWM电路谐波分析。

●7.3PWM跟踪控制技术

本节主要介绍通过跟踪控制法生成PWM波形，这种方法不是用信号波对载波进行调制，而是把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。跟踪控制法中常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。

●7.4PWM整流电路及其控制方法

随着以IGBT为代表的全控型器件的不断进步，PWM控制技术在逆变电路已应用相当成熟，SPWM控制技术已全面覆盖交流调速变频器和不间断电源应用场景。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1。这种整流电流也可称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器，因此，十分有必要对PWM整流电路和控制方法进行深入学习。

第八章辅助元器件及系统

实际的电力电子变换器除电力电子开关主电路外还包含有很多辅助元器件和控制系统，其中主要包括半导体电力开关管器件的触发、驱动器，过流、过压保护系统，缓冲电路，滤波器和散热系统。本章将对上述内容进行学习。

●8.1触发、驱动器与过流、过压保护

本节主要对晶闸管和电力晶体管的触发、驱动器的工作原理和工作特点以及电力电子装置的过流保护和过压保护方式进行了介绍。

●8.2开关器件的开通、关断过程与缓冲电路

本节以Buck电路为例对开关器件的导通关断过程进行了介绍，并分析了电路杂散电感对开关过程的影响，同时介绍了几种缓冲电路的工作原理和特点。

●8.3滤波器与散热器

电力电子开关器件在工作时，会产生较大电压、电流谐波，因此电路中需要使用滤波器，对此，本节对LC串、并联滤波器和谐振滤波器的工作原理进行了介绍。此外，电力电子无论在通态还是断态，无论是开通过程还是关断过程，都会产生损耗，需要散热器降低器件的结温，减小开关器件的热应力，保证器件的安全工作，因此本节介绍了散热器的工作特点和热设计的分析方法。

第九章电力电子技术的应用

电力电子技术既是电类专业的专业基础，又是一门工程技术，广泛用于几乎所有与电能相关的领域。因此作为大学本科的一门课程，有必要结合目前常见的应用场景对电力电子应用情况加以介绍。

●9.1开关电源与不间断电源

电力电子技术在开关电源中的应用使得我么得到各种体积小、重量轻、效率高的电源产品，各种电子设备、办公和家用电器以及消费电子产品等的整体性能也得以迅速提高。而不间断电源UPS也是一种重要的间接交流交流装置，在各种重要场合都有十分重要的用途。

●9.2变频器和交流调速系统

过去，调速传动的主流方式是晶闸管直流电动机传动系统。但直流电动机本身存在一些固有的缺点。随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统才得到迅速发展，而变频调速方式是近年来广为应用的调速技术，在系统效率和节能方面可取得显著效果。

●9.3新能源并网逆变发电系统及其他应用

以太阳能和风能为代表的新能源具有资源丰富、清洁和可再生的特性，可满足经济实现可持续发展的重大需求，是目前研究和应用的热点，而电力电子技术是开发各类可再生能源和发展分布式发电的关键技术之一。电子电力技术将直接关系到可再生能源发电技术的发展。可再生能源发出大小变化的直流电或频率变化的交流电，需要电力电子变换器将电能进行变换。