《电力电子技术》西安交通大学_王兆安_第五版
电力电子技术课件(第5版)【王兆安】
1.3 电力电子技术的应用
■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆一般工业 ☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用 电力电子装置进行调速的。 ☞一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近 年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
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1.1 什么是电力电子技术
◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。 ☞电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。 ☞变流技术则是电力电子技术的核心。
表1-1 电力变换的种类
输入 输出
交流（AC）
整流
交流电力控制 变频、变相
直流（DC）
直流斩波 逆变
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1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管时代 ☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使 之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且 其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基 础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立 的。 ☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不 能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电 路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实 现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
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1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电 子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种 需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技 术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。 另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二 者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。
(2024年)电力电子技术第5版王兆安课件
该方式通过调制信号（如正弦波）与高频载波（如三角波）进行比较生成PWM脉冲。优 点是生成的PWM脉冲频率高、波形好且易于实现实时控制。缺点是对于非线性负载的适 应性较差。
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07
电力电子系统的设计与应用
2024/3/26
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电力电子系统的设计原则与方法
2024/3/26
设计原则
确保系统稳定性、高效性、可靠性和 安全性；满足特定应用需求；优化成 本和性能。
2024/3/26
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02
电力电子器件
2024/3/26
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不可控器件
电力二极管（Power Diode）
结构和工作原理
伏安特性
2024/3/26
8
不可控器件
主要参数
晶闸管（Thyristor）
结构和工作原理
2024/3/26
9
不可控器件
伏安特性和主要参数
派生器件
2024/3/26
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半控型器件
2024/3/26
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THANKS
2024/3/26
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电压型和电流型逆变电路
电压型逆变电路
电压型逆变电路的输出电压波形为矩 形波或正弦波，其特点是输出电压幅 值和频率可调，适用于对输出电压要 求较高的场合。
电流型逆变电路
电流型逆变电路的输出电流波形为矩 形波或正弦波，其特点是输出电流幅 值和频率可调，适用于对输出电流要 求较高的场合。
2024/3/26
工业自动化
应用于电机驱动、电源供 应、过程控制等领域，提 高生产效率和能源利用率 。
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电力电子系统的发展趋势与挑战
发展趋势
《电力电子技术》西安交通大学_王兆安_第五版第2章_电力电子器件
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
☞电力电子器件的功率损耗 通态损耗
断态损耗 开通损耗 开关损耗 关断损耗
☞通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 ☞当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
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2.1.2 应用电力电子器件的系统组成
■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
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2.2.4 电力二极管的主要类型
◆肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD） ☞属于多子器件 ☞优点在于：反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢 复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情 况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此， 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率 高。 ☞弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降 也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场 合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不 能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。
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图2-6 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置
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2.2.3 电力二极管的主要参数
■正向平均电流IF(AV) ◆指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称 壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工 频正弦半波电流的平均值。 ◆ IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有 效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 ■正向压降UF ◆指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正 向电流时对应的正向压降。 ■反向重复峰值电压URRM ◆指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 ◆使用时，应当留有两倍的裕量。
西安交通大学-电力电子技术-第五版-王兆安-第3章-直流斩波电路
西安交通大学-电力电子技术-第五版-王兆安-第3章-直流斩波电路第3章直流斩波电路3.1基本斩波电路3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结第3章直流斩波电路·引言直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。
也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）。
一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。
电路种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。
复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。
多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。
3.1基本斩波电路3.1.1降压斩波电路3.1.2升压斩波电路3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路3.1.4Sepic斩波电路和Zeta 斩波电路电路结构全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。
续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。
降压斩波电路（Buck Chopper)工作原理c)电流断续时的波形EV +-MRLVD i oE Mu oi Gt ttO O O b)电流连续时的波形T Ei G t ont offi oi 1i 2I 10I 20t 1u oO OO tttT E E i G i G t on t off i o t x i 1i 2I 20t 1t 2u o E Ma) 电路图图3-1降压斩波电路得原理图及波形t =0时刻驱动V 导通，电源E 向负载供电，负载电压u o =E ，负载电流i o 按指数曲线上升。
t =t 1时控制V 关断，二极管VD 续流，负载电压u o 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小。
动画演示。
数量关系电流连续负载电压平均值：EE Tt E t t t U α==+=onoff on on o （3-1）RE U I Mo o -=（3-2）t on ——V 通的时间t off ——V 断的时间a--导通占空比电流断续，U o 被抬高，一般不希望出现。
《电力电子技术》西安交通大学_王兆安_第五版298页PPT
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
《电力电子技术》西安交通大学_王兆 安_第五版
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
电力电子技术_第五版_(王兆安_著)_西安交通大学
绵阳师范学院论坛目录第1章电力电子器件 (1)第2章整流电路 (4)第3章直流斩波电路 (20)第4章交流电力控制电路和交交变频电路 (26)第5章逆变电路 (31)第6章PWM控制技术 (35)第7章软开关技术 (40)第8章组合变流电路 (42)第1章电力电子器件1.使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：uAK >0且u GK >0。
2.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以，即降到维持电流以，便可使导通的晶闸管关断。
3.图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、d2I、d3I与电流有效值I 1、I 2、I 3。
0π 4π a)2π0π 45ππ_4b)2π0π 22πc)图1-43晶闸管导电波形I m 2(+1) ≈0.2717I m解：a)I d1=12π ∫ I =112π ∫ ππ(I m sin ωt )d (ωt )=4ππI m sin ωtd (ωt )=422π2I mI m π2(22I d2=π ∫ 41b)π πI m sin ωtd (ωt )=34+ 12π≈0.4767I m +1) ≈0.5434I m 34I 2=1π ∫π π(I m sin ωt )d (ωt )=42I d3=12π ∫ 1π20c)3=2I m2I m d (ωt )=+12π≈0.6741I 14I m I 2π ∫ π 202I m d (ωt )=12I m4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、d2I、d3I各为1多少？这时，相应的电流最大值Im1、m2I、m3I各为多少?解：额定电流IT(AV) a)b)c)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A，由上题计算结果知I ≈m1I ≈ m2I0.4767≈329.35，Id1≈0.2717Im1≈89.48I0.674 1≈232.90,Id2≈0.5434Im2≈126.56I d3=14Im3=78.5I=2I=314,m35.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？答：GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分别具有共基极电流增益α1和α2，由普通晶闸管的分析可得，α1+α2=1是器件临界导通的条件。
电力电子技术第五版(王兆安)课件
VS
漏抗对整流器换相的影响
漏抗的存在使得换相过程变得复杂，可能 导致换相失败或产生过大的换相过电压。
整流电路的谐波和功率因数
谐波
整流电路输出的非正弦波形含有丰富的谐波 成分，对电网和负载造成不良影响。
功率因数
整流电路的功率因数通常较低，因为谐波和 无功功率的存在使得视在功率大于有功功率 。提高功率因数的方法包括采用功率因数校 正电路和采用高功率因数的整流器等。
用效率。
交通运输
电动汽车、高铁、航空器等交 通工具的电力驱动系统大量采
用电力电子技术。
工业自动化
电机驱动、电源供应、自动化 控制等方面广泛应用电力电子
技术，提高生产效率。
信息技术
数据中心、云计算等领域需要 高效、可靠的电源供应，电力 电子技术发挥着重要作用。
课程目标与学习方法
课程目标
掌握电力电子技术的基本原理、分析方法、设计方法和实验 技能，具备从事电力电子技术应用和研究的初步能力。
电压型和电流型逆变电路
电压型逆变电路
电压型逆变电路以电压源作为输入，通过控制开关元 件的通断，得到所需的交流输出电压。其特点是输出 电压波形质量高，但需要较大的滤波电感。
电流型逆变电路
电流型逆变电路以电流源作为输入，通过控制开关元 件的通断，得到所需的交流输出电流。其特点是输出 电流波形质量高，但需要较大的滤波电容。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
电力电子技术第五版(王兆
安)课件
• 电力电子技术概述 • 电力电子器件 • 整录
CONTENTS
01
电力电子技术概述
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
《电力电子技术》西安交通大学_王兆安_第五版
图1-4 AB变频器
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1.3 电力电子技术的应用
◆交通运输 ☞电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的 直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流 斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电 力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆 中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。 ☞电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱 动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高 级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器 驱动并控制。 ☞飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。
53232静态特性正常工作时的特性当晶闸管承受反向电压时不论门极是否有触发电流晶闸管都不会导通当晶闸管承受正向电压时仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通门极就失去控制作用不论门极触发电流是否还存在晶闸管都保持导通若要使已导通的晶闸管关断只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下
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1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管时代 ☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使 之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且 其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基 础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立 的。 ☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不 能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电 路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实 现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
交流（AC）
1.1 什么是电力电子技术
■电力电子学 ◆美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、 电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。
图1-1 描述电力电子学的倒三角形
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1.1 什么是电力电子技术
■电力电子学 ◆美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、 电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。
图1-1 描述电力电子学的倒三角形
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1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子
☞采用全，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。
☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合 型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。 与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT） 复合了MOSFET和GTO。
动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变
电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在
这一时期，也应用直流发电机组来变流。
☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了
电子技术的一场革命。
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1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管时代
☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使
现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
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1.2 电力电子技术的发展史
◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC） ☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管
（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器 件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控 制既可使其开通又可使其关断。
降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。
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1.3 电力电子技术的应用
■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。
◆一般工业 ☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用
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1.2 电力电子技术的发展史
☞把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在 一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了 电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成
技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成 技术以及系统集成技术。
☞随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子 电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技 术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗
无功补偿、电力机车牵引、
交直流电力传动、电解、励
磁、电加热、高性能交直流
电源等之中，因此，无论是
国内国外，通常都把电力电
图1-2 电气工程的双三角形描述
子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传
动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电 气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学
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1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎
明期。
☞1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控
制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电
力领域的先河。
☞20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学
工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传
电力电子装置进行调速的。 ☞一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近
年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
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1.3 电力电子技术的应用
☞有些并不特别要求调速的电机为 了避免起动时的电流冲击而采用了 软起动装置，这种软起动装置也是 电力电子装置。 ☞电化学工业大量使用直流电源， 电解铝、电解食盐水等都需要大容 量整流电源。电镀装置也需要整流 电源。 ☞电力电子技术还大量用于冶金工 业中的高频或中频感应加热电源、 淬火电源及直流电弧炉电源等场合。
之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且
其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基
础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立
的。
☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不
能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电
路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。
晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实
<电力电子技术>(第5版) 第1章 绪论
（第4版为“概述”，无章序号）
西安交通大学 电气工程学院 王兆安
200编9辑p.p1t 1.28
1
第1章 绪论
1.1 什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介
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1.1 什么是电力电子技术
器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）
是一样的，其大多数工艺也是相同的。
电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也
是一致的。
☞电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电
子学和电力学的主要关系。
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1.1 什么是电力电子技术
各种电力电子装置广泛
应用于高压直流输电、静止
■电力电子技术的概念
◆可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力 领域的电子技术。
☞电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于 “电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网 的“电力” ，前者则更一般些。
☞电子技术包括信息电子技术和电力电子技术 两大分支。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。
现这种接口的一条强有力的纽带。
另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二
者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基
础元件和重要支撑技术。
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1.2 电力电子技术的发展史
■电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史
◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用 电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。
科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学
科内各二级学科的关系。
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1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电
子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种
需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技
术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实
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1.1 什么是电力电子技术
◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。
☞电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。
☞变流技术则是电力电子技术的核心。 表1-1 电力变换的种类
输出
输入
直流（DC）
交流（AC）
交流（AC）
整流
交流电力控制 变频、变相
直流（DC）