◆ 先修课程

《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》

◆ 课程的性质、目的和任务

本课程是本科电气工程与自动化专业教学计划中的一门必修专业技术基础课。本课程的目的和任务是使学生通过学习后，获得电力电子技术必要的基本理论、基本分析方法以及基本技能的培养和训练，为学习后续课程以及从事与电气工程与自动化专业有关的技术工作和科学研究打下一定的基础。

◆ 本课程的学时分配情况

◆ 本课程的要求和内容

第一章 绪论

一、学习要求

通过本章的学习，要求学生了解电力电子技术的定义、研究内容、发展和应用。

二、课程内容

电力电子技术的定义、研究内容、发展方向和应用领域。

第二章 电力电子器件

一、学习要求

本章要了解不可控型器件、半控型器件与全控型器件的特点；深刻理解和掌握电力二极管、晶闸管、电力MOSFET和IGBT；了解其他电力电子器件和功率模块、功率集成电路；了解电力电子器件的串联与并联运行时需要注意的问题。本章重点是晶闸管、电力二极管、电力MOSFET和IGBT的外特性、主要参数和使用注意事项。

二、课程内容

1、电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

2、目前电力电子器件已形成了40多个品种的庞大家族，其可以分为多种类型。若按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为三大类型：不可控型器件、半控型器件和全控型器件。若根据电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，众多电力电子器件又可分为双极型、单极型和混合型三种类型。若按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件（不可控型器件除外）分为电流驱动型和电压驱动型两类。如果是仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制，这类电力电子器件则被称为电压驱动型或者电压控制型电力电子器件。电压控制型电力电子器件也可以称为场控器件，或场效应器件。

3、晶闸管属于四层三端单向导电半控型器件。其导通的条件是：正向阳极电压和正向门极电压两者同时具备，且要保证阳极电流大于擎住电流。其关断的条件是使其阳极电流小于维持电流。其关断的方法有：去掉阳极电压；给阳极加反压；降低正向阳极电压，或增大阳极回路阻抗，使流过晶闸管阳极的电流小于维持电流。

4、晶闸管除了在门极触发下可能导通之外，在以下几种情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光触发。

5、晶闸管、电力二极管、电力MOSFET和IGBT是目前电力电子变换中应用最多的器件。必须牢牢掌握这些器件的工作原理、外特性、主要参数和使用注意事项。在高压、大容量的变换装置中，GTO占有重要的地位，但也要注意IGCT、SITH等新型器件的发展。

6、电力电子器件工作过程中的损耗包括静态损耗和动态损耗两部分。若器件在工频以下工作，基本上可以不考虑其动态过程和动态损耗。但电力电子器件在高频工作时，必须考虑其动态过程和动态损耗。

7、对于较大容量的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，可以将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。

8、在电力电子器件串联应用中，要采取措施解决器件的均压问题，包括静态均压和动态均压。解决的方法是：筛选器件，挑选特性和参数尽量一致的器件串联；采用电阻均压；用RC并联电路均压；采用强脉冲减小器件开通时间上的差异也有利于均压。

9、在电力电子器件并联应用中，要采取措施解决器件的均流问题，包括静态均流和动态均流。

第三章 晶闸管相控整流电路

一、学习要求

本章要深刻理解单相半波可控整流电路、单相半控桥式整流电路、三相半被（零式）可控整流电路和三相桥式半控整流电路；掌握单相全控桥式整流电路和三相桥式全控整流电路；熟练掌握波形分析方法和基本计算理论；理解变压器漏抗对整流电路的影响；理解整流电路的谐波分析的目的和基本方法；理解下列基本数量关系：输出直流电压平均值与输入交流电压有效值的关系；负载电流i_d的波形系数K_f=I/I_d；晶闸管电流有效值I_T与控制角α、电路形式以及负载性质之间的关系，根据晶闸管在电路中可能承受的最大电压与流过的最大电流，正确计算晶闸管的额定电压、电流等级。

二、课程内容

1、对于电阻性负载，输出电流波形与输出电压波形u_d形状相同，U_d、I_d、I_T、I₂及cosφ均为α的函数；对于电感性负载，它使负载电流i_d平直，输出电流波形系数减小，晶闸管导电时间延长，流过晶闸管的电流为一方波，而输出电压u_d波形则出现负值；当负载为直流电动机时，为了改善运行特性，需加平波电抗器，使负载具有大电感性质。

2、三相可控整流电路广泛用于4kW以上、直流电压可调的场合。三相整流电路的基本形式是三相半波整流电路，它有共阴极组接法与共阳极组接法两种，其它型式的三相整流电路都可以看成是三相半波整流电路的串联与并联。

3、三相可控整流与单相电路不同，它的自然换相点即α=0°为相邻电压的交点，距相电压波形原点为30°。三相半波可控整流电路的输出电压波形为三相相电压的一部分，一周期有三个波头；而三相桥式整流电路的输出电压波形是六个线电压的一部分，一周期有六个波头；带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的输出电压为六相相电压波形中相邻二相电压的平均值，也有六个波头。

4、相控整流电路对直流负载来说，可以看成是具有一定内阻的可调直流电源。内阻主要是变压器漏抗在晶闸管换相时造成，内阻的大小为mXB/2π。

5、相控整流装置的缺点是功率因数较低。且控制角越大，功率因数越低。

第四章 有源逆变电路

一、学习要求

本章要理解有源逆变的基本概念和产生的基本条件；理解逆变失败和最小逆变角限制的基本概念；掌握有源逆变电路的分析方法；了解晶闸管直流电动机系统的机械特性和有源逆变电路的应用。

二、课程内容

1、两个电动势源同极性相接时，电流总是从电动势高的流向电动势低的，电流的大小取决于两电动势的差值和回路电阻值。电流从电动势源正端流出者输出功率，电流从电动势源正端流入者为吸收功率。两电动势源反极性相接时，若回路电阻很小，则形成短路。

2、在一定的条件下，同一套全控整流电路既可工作在整流状态，又能工作在逆变状态。实现逆变的条件：直流电动势源的极性必须和晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧平均电压；晶闸管的控制角α＞π/2；电路直流回路中必须要有大电感。

3、逆变和整流状态的控制角α不同。0＜α＜π/2时，电路工作在整流状态；π/2＜α＜π时，电路工作在逆变状态。

4、逆变工作过程中既存在逆变状态，又存在整流状态，但逆变状态处于主导地位，同样，在整流工作过程中也存在着处于次要地位的逆变状态。

5、在逆变过程中，平波电抗器起着抑制整流状态的短路电流、延续逆变过程、平波和保证电流连续的作用。

6、造成逆变失败的原因主要有：触发电路工作不可靠；晶闸管发生故障，不能正常的阻断或导通；交流电源发生缺相或突然消失；换相的裕量角不足等。最小逆变角。

7、在电流断续区，电动机的理想空载转速将大大提高；机械特性变软；随着α的增加，进入断续区的电流值加大。为保证I_dmin达到电动机额定电流的5%～100%，一般应在主电路的直流侧串入平波电抗器。

8、逆变状态的机械特性是整流状态的延续。控制角α由小变大时，电动机的机械特性则逐渐地由第1象限往下移进入第4象限。逆变状态的机械特性同样还可表示在第2象限里、第3象限里。

9、环流是只在两组变流器之间流动，而不流经负载的电流。对于环流的不同处理方法，反并联可逆电路可构成配合控制有环流系统、可控环流系统、逻辑无环流控制的系统和错位控制的无环流系统等。

10、电力电子变流器的功率因数与一般电工设备不同之处在于必须考虑谐波对功率因数的影响。电力电子设备的功率因数可分为总功率因数与基波功率因数（位移因数）两种。提高变流器功率因数的措施有：在电网侧可接入补偿电容、增加整流电路的脉波数、多重化和多电平处理等。

第五章 无源逆变电路

一、学习要求

本章要理解逆变电路的换流方式；掌握电压型和电流型逆变电路工作原理和分析方法；理解PWM控制的基本原理；掌握产生PWM波形的常用方法；了解PWM逆变电路及其控制方法；了解无源逆变电路的应用。

二、课程内容

1、变流电路可分为AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类。

2、四大类基本变流电路中都存在换流的问题。换流方式分为外部换流和自换流两大类。外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。

3、逆变电路的分类有不同方法。可以按换流方式、输出相数、直流电源的性质，以及用途等来分类。电压型和电流型电路也不是逆变电路中特有的概念，也可以应用于整流电路等其他电路。

4、对于逆变电路来说，其直流电源往往由整流电路而来，二者结合就构成AC/DC/AC电路。如果其中的逆变电路输出频率可调，这种间接交流变流电路就构成变频器。变频器中的核心电路就是逆变电路。

5、以IGBT、MOSFET等为代表的全控型器件推动了PWM控制技术的迅猛发展，使它运用到交-直、直-直、交-交、直-交所有四大类变流电路中。直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。

6、以相控整流电路和相控交流调压电路为代表的相位控制技术在传统的电力电子电路中虽仍占据着重要的地位，但以PWM控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位。相位控制和斩波控制分别简称相控和斩控。

第六章 直流斩波电路

一、学习要求

本章要了解DC/DC变换的主要形式；深刻理解斩波电路的工作原理和控制方式；掌握降压和升压斩波电路；了解复合斩波电路。

二、课程内容

1、根据改变开关导通时间或开关导通周期的不同，可以将斩波器的工作方式分为三种：脉冲调宽型、调频型和混合型。

2、降压斩波电路（Buck电路）的输出电压为，其特点是输出电压总是低于输入电压，且输出电压最大值不超过。

3、升压斩波电路（Boost电路）的输出电压为，其特点是输出电压总是高于输入电压，且输出电压可以从变到任意大。

4、Boost-Buck电路和Cuk电路都是升降压斩波电路，其输出均为，改变工作率k，输出电压既可以比输入电压高，也可以比输入电压低。

5、电流可逆斩波电路是在降压斩波电路和升压斩波电路的基础上组合得到的，它除了可以分别工作在降压斩波和升压斩波状态外，还可以有第三种工作状态，即在一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。将这种电路应用于电机的拖动，可以使电动机既可电动运行，有可再生制动。

6、桥式可逆斩波电路是将两个电流可逆斩波电路加以组合的结果。当其应用于电机的拖动时，可以使电动机进行正、反转以及电动和再生制动。

第七章 交流电力控制电路和交-交变频电路

一、学习要求

本章要掌握AC/DC变换电路的结构形式、控制方式和工作原理。

二、课程内容

1、交流-交流变流电路的分类及其基本概念。

2、单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性。

3、三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理。

4、交流调功电路的基本概念。

5、晶闸管相位控制交-交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性。

6、各种交流-交流变流电路的主要应用。

第八章 电力电子变流装置的控制和保护电路

一、学习要求

本章要掌握晶闸管变流装置在实际运行中可能产生的主要故障和相应的保护电路；理解晶闸管相控装置对触发电路的基本要求；掌握电力电子装置主电路与控制电路之间的电气隔离措施；理解同步信号为锯齿波的触发电路的基本组成、移相控制原理；了解集成触发电路的优点及应用；理解触发电路与主电路的定相问题；掌握电力电子装置驱动电路的作用以及驱动电路的设计方法；掌握电力电子装置缓冲电路的作用以及缓冲电路的设计方法；了解集成驱动电路及其应用。本章重点掌握如何根据不同的电力电子变流装置的需要选择或设计出合理的控制电路和保护电路。

二、课程内容

1、保护电路是电力电子装置必不可少的重要环节。晶闸管变流装置的保护措施有过电压保护、过电流保护、限制du/dt、di/dt保护和门极保护。

2、用作过电流保护的电器主要有快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等。晶闸管变流装置常用的过电流保护措施有：快速熔断器保护、直流快速断路器和过流继电器保护、利用引入电流检测的电子保护电路作过电流保护。

3、变流装置运行产生过电压的主要有来自雷击和系统中的操作过程等外因过电压和来自电力电子装置内部器件的开关过程的内因过电压两类。晶闸管变流装置运行过电压保护措施主要有：避雷器保护、利用非线性过电压保护元件保护、利用储能元件保护和利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护。

4、限制晶闸管阳极电压的du/dt过大的主要措施是在晶闸管两端并联一个RC或RCD吸收电路；而限制晶闸管阳极电流的di/dt过大，除了在阻容保护中选择合适的电阻外，可在每个桥臂上与晶闸管串联一个小电感。

5、触发电路是晶闸管交流装置的重要组成部分。在晶闸管变流装置中，触发电路的基本作用是向晶闸管提供门极驱动电流，并能根据控制要求使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通，实现对变流装置输出功率的控制。触发电路是通过输出触发信号来实现对晶闸管的控制的。触发信号的类型可以是直流信号、交流信号或时间短促的脉冲信号。为了减小触发电路和门极功耗并使触发更准确可靠，大多采用脉冲作为触发信号。常用的触发脉冲形式有尖脉冲、矩形脉冲、强触发脉冲和脉冲列。

6、晶闸管相控装置对触发电路共同的要求如下：触发脉冲必须有足够的功率，保证在允许的整个工作温度范围内，对所有合格的元件都能可靠触发；触发脉冲应有足够的宽度；触发脉冲的前沿应尽量陡些；触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范围内移动。

7、在变流装置中，为了防止主电路的高压引入控制电路带来安全隐患和尽量减小主电路对控制电路的电磁干扰，控制电路与主电路之间一般要采取电气隔离措施。电气隔离常常用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器。磁隔离通常采用脉冲变压器。

8、晶闸管变流装置触发电路主要有3种类型：分立式触发电路、模拟集成触发电路和数字触发电路。目前较常用的是模拟集成触发电路和数字触发电路。要熟悉和掌握一些常用的模拟集成触发电路和数字触发电路；要深刻理解同步信号为锯齿波的分立式触发电路，其有助于我们更好地分析和设计触发电路。

9、触发电路的定相是晶闸管变流装置应用中一个非常重要的问题。所谓触发电路的定相，就是如何为触发电路获取满足要求的同步电压以及正确选择同步电压，使各晶闸管的触发脉冲与主电源电压同步，确保主电路各晶闸管能按要求的顺序触发导通。要注意触发电路的定相与触发电路的形式、主电路的形式、主电路的负载性质等因素都有关。

10、电力电子器件的驱动电路是电力电子装置主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。驱动电路的主要作用除了达到功率放大目的外，更主要是为了改善电力电子器件的开关特性，使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗和通态损耗，提高装置的运行效率、可靠性和安全性。

11、电力电子装置的缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的过电压、du/dt或者过电流和di/dt，降低电力电子开关器件的开关应力，将开关过程软化，减小器件的开关损耗并对器件给予可靠的保护，维护系统安全运行。要熟悉和掌握电力电子装置中一些常用的缓冲电路。