电电子 贾正素马志源至编 学 忄电力出照社 www.cepp.comcn
内容提要 电力电子学是20世纪70年代发展起来的新兴学科。 全书共分八章：第一章是从应用的角度介绍电力半导体器件的特性；第二、三 章是讲述利用相控原理的可控整流与有源逆变和交一交变频器；第四章是讲述研究 DC一DC变换的斩波器的工作原理；第五章主要是研究采用PWM技术的无源逆变 器；第六章是功率因数校正；第七章是软开关技术及其应用；第八章是开关电源。 本书的第六~八章是电力电子学最新的内容，其中，电感电流连续的功率因数校正 的原理电路分析，直流环节谐振的软开关逆变器的补偿损耗电流的计算公式，电压 电流工作波形的计算；推导出的反激式、正激式、半桥式和桥式变换的开关电源的 输入输出和导通时间的统一公式，这些都是由我们首先完成但还没有正式发表过论 文的科研工作的成果。 本书可作为授课80学时左右的本科电工类学生的专业用书，也可供相关专业 的技术人员作为参考！ 图书在版编目(CIP)数据 电力电子学/贾正春马志源主编，北京：中国电力出 版社，2001 ISBN7-5083-0839-5 I.电…Ⅱ.①贾…②马…Ⅲ.电力电子学Ⅳ.TM1 中国版本图书馆CIP数据核字(2001)第076403号 中国电力出版社出版、发行 (北京三里河路6号100044hip:1/www,cpp.com.cm) 北京密云红光印剧厂印刷 各地新华书店经售 米 2002年1月第一版2002年1月北京第一次印刷 787毫米×1092毫米16开本18印张406千字 印数0001一3000册定价29.00元 版权专有翻印必究 (本书如有印装质量问题，我社发行部负责退换)
电力电子学是研究釆用电力半导体器件实现对电能的变换和控制的科学,是20世纪 70年代发展起来的新兴学科。由华中理工大学贾正春、许锦兴老师编写的《电力电子 学》,在过去十多年的教学实践中,获得了许多宝费的经验。本书的前版曾经华中理工大 学岀版社出版并多次重印,196年被评为国家电力部优秀教村二等奖。但是,随着电力 半导体器件和控制理论的发展,电力电子学的发展也很快,必须对原有的教村进行修改, 推陈出新,才能适应电力电子学本身的发展和培养21世纪电工学科人才的需要。因此, 华中理工大学的贾正春、马志源等老师重新编写了这本《电力电子学》教材。 电力电子学是由电力屯子器件、电力电子电路和控制三个主要方面的内容所构成,其 内容极其丰富多彩。为了不使教村篇幅过于庞大,我们在选材上考虑了以下几点:①站在 多学科交叉的角度来研究电力电子学;②对于各种类型的变换器,重点研究常用的典型电 路,且只讨论典型变换器本身的工作原理,而不涉及到各种变换器的翰出外特性等;③控 制部分只研究与各类变换器相关的控制特点和专用的集成电路。这样既避免了和电力拖 动、自动控制原理课程的重复,同时在有限的版面可以将电力电子学最新的内容都纳入。 例如,在10年前IGB刚刚问世,它的发展和应用潜力还不明朗。而现在IGBT已成为电 力电子器件发展的平台,因此必须在教衬中较多的反映出来。晶闸管斩波电路、晶闸管 PwM逆变器,在很多的应用领域已逐渐被CBT所替代,因此必须从教材中尽量删除这部 分内容。而在交流调压中,我们认为采用晶闸管的相控交流调压有明显的特点,因此对于 采用G班的高频斩波交流调压的 Buck、 Boost和Buck- Boost电路,本书就没有作讨论。功 率因数校正和软开关技术是电力电子学的最新发展成就,对今后电力电子学的发展将产生 深远影响,因此,本书都以一定的篇幅作了阐述。控制原理是电力电子学的重要组成部 分,在本书中我们是根据各类变换器的特点,研究相关的控制原理。如可控整流与有源逆 变器,我们只研究移相触发电路的原理。无源逆变器用的最多的是交流电动机调速,其控 制部分几平用上了现代控制理论中的所有理论,但是这些都只能在拖动、电机调速的课程 中讲授,而其与主电路开关有关的基极驱动、过压过流保护及牵涉到逆变器安全运行的控 制问題则是研究的重点。又如有源功率因数校正,其主电路就是一个Bos整沆器,但为 了实现功率因数为1,其控制部分必须与之构成一个不可分割的整体,它必须有由输入电 压、输出电压检测反馈构成的电压外环,同时还必须有电流内环,以达到控制龟感电流为 与电压间相位的正弦波。即该升压整流器是一个典型的双环控制系统,并与输入输出的外 电路无关。因此,对于功率因数校正,重点研究了功率因数的控制芯片和其独特的控制原 理
本书共分八章,可作为投课80学时左右的本科电工类专业用书。第一章是从应用的 角度介绍咆力半导体器件的特性;第二、三章是讲述利用相控厚理的可控整流与有源逆变 和交一交变频器;第四章是讲述研究DC一DC变换的斩波器的工作原理;第五章主要是分 析釆用PWM技术的无源逆变器;第六章是功率因数校正;第七章是软开关技术及其应 用;第八章是开关电源。本书第六~八章的内容是电力电子学最新技术,其中,电感电流 临界连续的功率因数校正的原理电路分析,直流环节谐振的软开关逆变器补偿损耗电流的 计算公式,电压电流工作波形的计算,以及本书推导出的反激式、正激式、半桥式和桥式 变换的开关电源的输入输出和导通时间的统一公式,这些都是我们首先完成但还没有发表 过论文的科研工作的成果。 本书的第一章由黄声华教授编写,第二、三章由马志源教授编写,第四章由夏胜芬讲 师编写,第五章由韦忠朝副教授编写,第六、七、八章由贾正春教授编写。全书由贾正 春、马志源教授负责统审稿工作。在编写过程中,部分章节的文字输入和绘图的计算机工 作得到了肯年教师熊娅俐和研究生邹志革的热心配合,在此一并表示感谢。 电力电子学是一门边缘学科,由于作者水平有限,书中难免有不妥甚至错误之处,恳 请读者批评指正。 縞者
前言 绪论 第1章电力半导体器件 1.1电力半导体器件种类与特点…… 1557 1.2功率二极管 1.3功率晶体管 1.4功率场效应管 1.5绝缘栅极双极型品体管 16晶闸管………………… 1.7晶闸管的派生器件 1.8主要电力半导体器件特性比较………… 习题与思考题 第2章流与有源逆变 2.1概述 2.2单相可控整流电路………………………… 23三相半波可控整流电路 2.4三相析式全控整流电路… 25整流电路换流过程 26有源逆变电路 27电动势负裁和电容性负载的整流电路 28可控整流器主电路的参数选择 70890 2.9晶闸管触发电路……… 习题与思考题 第3章交流一交流变换器… 117 31交流调压器概述… 3.2相控单相交流调压器 3.3相控三相交流调压器……… 34两组晶闸管整流器反并联的可逆电路 3.5交一交变频器……… 习题与思考题…
第4章直流斩波电路 4.1概述 136 4.2直流斩波电路的工作原理 4.3斩波电路的控制… 44桥式斩波电路 4.5 MOSFET、BT和EBT斩波器… 4.6晶闸管斩波电路 习题与思考题 第5章无源逆变器 5.1概述… 52180导通的电压源型三相逆变器… 5.3串联二极管电流源型逆变器 54正弦脉宽调制(SPwM)技术……………… 169 55PwM逆变器 56PwM逆变器的特殊问题 习题与思考题 第6章有源功率因数校正 6.1概述 6.2峰值电流控制的双级式APFC 6.3平均电流控制的双级式APFC 64单级式功率因数校正变换器…… 65三相功率因数校正 习题与思考题 212 第7章软开关技术及其应用 7.1概述 72谐振直流环节逆变器……………………………………… 216 7.3极谐振型逆变器………… 74移相控制软开关PWM变换器 习题与思考题…… 4 第8章开关电源 8.1概述…… 243 82DCDC变换的开关电源… 83单端功率输出的直流变换器 84单端反激式开关电源 85单端正激式变换器… 8.6半桥式变换器…… 87全桥式变换器的开关电源 276 习题与思考题……
绪论 、电力电子学的科学性政与发辰 电力电子学( Power electronics)是研究采用半导体器件实现对电能的控制和变换的科 学,它是一门应用于电力技术领域中的电子学。自1974年,国际上开始接受了W· Newell 的定义,即把电力电子学作为介于电气工程三大主要 领域——电力、电子和控制之间的交叉学科,如图所 示。所以电力电子学是应用电子学的一个分支,是与 电气工程的主要学科紧密相关的 电子学 电力电子学是随着电力半导体器件的发展而发展 的。1948年晶体管的发明,使电子工业产生了一次革 连线/抽样 命。957年晶闸管的出现和在电力领域中的应用,实 质上就是电力电子学的开端(晶闸管雏型在1956年由 贝尔电话研究所的 John Mol研制出来,1958年由通用 描述电力电子学是一门 电气公司的RA·York等完成了其生产工艺,并开始将 其应用于电力控制)。1980年可关断晶闸管GTO的商 交又学科的三角形 品化(2500V/1000A),使电力电子学向前推进了一大步。1975年美国 Siliconix公司制造出 V形沟道的金属氧化物半导体场效应功率晶体管,即 MOSFET1988年ECBT的出现,它 集功率晶体管B和场效应功率晶体管的优点于一体,这是电力半导体器件向理想化方面 迈进的最重大事件,使电力电子学的发展进入到一个日新月异的阶段。与此同时,新的电 路、新的控制技术也不断出现,助使电力电子学向更新、更深的领域发展。另一方面,电 力电子学作为一门交叉学科,它反过来又向其邻近的学科渗透,特别是电工技术领域也出 现了前所未有的新的发展局面。 电力电子学包含以下三个方面的内容: (一)电力电子器件 电力电子器件是电力电子学发展的基础。目前,电力电子器件主要有硅整流二极管 ( Diode)、晶闸管( Thyristor)、双极型功率晶体管(BT)、功率场效应晶体管( MOSFET 和绝缘基极的功率晶体管(【GBF)。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化方 面发展。 在高电压大电流的应用中(如高压直流输电、无功补偿等),目前晶闸管仍占主导地 位,但由于ICBT开关速度快、又是电压驱动元件、控制灵活,因此在100W以下的电 力变换器中,IGBT是当然的佼佼者。也正因为如此,GBT发展很快,开关电源中的单管
IGBT元件,如IR公司的600V、30A、工作频率为150kHz的产品, Mitel公司的1200V、 40A、工作频率75kHz的产品,已有取代 MOSFET的趋势。在GB模块化方面,已有把驱 动与保护都集成在一块的智能模块(PM),还有将整流和逆变器集在一块的功率集成模 块(PM)。电力半导体器件的发展,自然助进了电力电子装置的发展与更新换代。 (二)电力电于电路及装置 采用半导体器件实现电能的控制与变换,其功率范围从数十瓦到数千瓦。例如家用电 器和调光台灯,功率一般都是数十瓦到数百瓦;电动汽车和电车等功率一般是几十千瓦到 数百千瓦;轧钢机和高压直流输电等,功率一般是数千千瓦以上。 电力电子电路及装置是电力电子学的主体。电力电子电路及装置通常被叫做变换器 ( Converter),按照电能变换功能可分为如下几类 (1)DC→DC变换器:可改变电压幅值的大小,实现直流对直流的变换,一般叫做斩 波器( Chopper)。 (2)AC→DC变换器:可改变电压和频率,实现从交流到直流的变换,一般叫做整流 ( Rectifier) (3)AC→AC变换器:可改变电压和频率,实现从交流到交流的变换,一般叫做周期 变换器( Cycle converter)。 4)DC→AC变换器:可改变电压和频率,实现从直流到交流的变换,一般叫做逆变 器( inverter)。 (5)AC→DC→AC变换器:这是一个复杂的而又最常用的电力电子变换系统,是由整 流器和逆变器构成的,中间有一个直流环节。在电力系统中,它是一个典型的高压直流输 电系统。在交流调速中,它是典型的变压变频变换器( VVVF Converter),其输出频率的变 化范围很广 除了上述典型的变换器外,还有由这些变换器组合起来的电力电子变换器,如不停电 电源(AC→DC→AC)和开关电源(AC→DC→DC)等。 电力电子器件和电力电子电路相互之间的依赖关系很密切。新器件的出现会促使电路 达到新的水平,新的电路设计又反过来对器件提出新的要求。随着电力电子器件的功率 化、高速化,电力电子电路的容量水平和频率范围不断提高,电能变换的性能也越来越 好。 (三)电力电子电路的控制系统 电能的控制与变换是通过变换频率、变换电压来满足各种不同应用的要求。为了实现 这一目的,电力电子电路就离不开各式各样的模拟控制、检测反馈等信息处理与信号控制 系统。 同一电力电子电路,由于控制水平的提高,可以使电路达到更为完善的性能水平。脉 冲宽度调制(即PWM)技术对直流调速、交流调速、开关电源的影响便是一个明显的例 子。最近出现的有源功率因数校正技术,采用电压电流波形跟踪、输出电压反馈和电压前 馈控制,能使普通整流器的功率因数从0.5提高到0.99以上,变成了无谐波污染的“绿 色”用电装置。所以新的控制方式的研究和新的控制工具的使用是电力电子学的重要内
微处理器在电力电子装置中的应用,说明了当代学科间是互相渗透的。由于自动控制 技术的发展,电力电子学不仅与电子学紧密相关,而且已经和计算机科学发生了紧密的联 系。特别是最近几年来,由于微电子技术的发展,工业控制的功能模块或专用芯片不断涵 现。例如,美国的AD公司和m公司都推出了用于电动机调速的数字信号处理器(DSP) 将32位的DSP和外设都集成在一块芯片上,ADMC300和TMs320C240把DSP、CPU、ADC 和PwM等外设都集于一体,使ACDC→DCAC变换器的控制系统变得小型化和高可靠性, 使变换装置更加完美,很容易实现系列化和标准化。 二、电刀电子学的应用领巘 电力电子学是近20多年来发展的新型学科,具有很强的生命力。据预计21世纪的主 导工业第一是信息产业,第二是计算机与电力电子。因此电力电子学将在以下领域得到长 足发展和应用 )节约能源的应用领域 从节能的观点出发,人们对电力电子学的评价很高,例如把电力电子学称为20世纪 新的电气技术,节能的王牌。具体体现如下 (Ⅰ)降低通态压降,提高整流效率而节能。在加0世纪80年代人们就认识到,用硅整 流二极管和晶闸管替代水银整流器时,将其导通压降降低可节约大量的电能。如,我国沈 阳某铝厂改造后,整流效率从93.5%提高到97.5%,功率因数也从89%提高到90.6% 因而每天可节约电21万kWh。又如,沈阳某冶炼厂经过改造后,年节电量为950万kWh。 在低压大电流整流中,目前国外的趋势是采用通态压降非常低的(约0.3V)肖特基二极 管,可进一步提高整流器的效率,节约电能。 (2)调速节能。釆用变频器实现调速节能,对风机、水泵类负载节能潜力很大。目前 我国的风机、水泵基本上采用电动机全额运行,通过挡板节流来调节流量与压力,这使能 量损失在阀门上,浪费很大。如果改用电力电子变换器实现变频调速,即通过调节电动机 的输入能量来达到调节流量与压力的效果,根据1983年国家经委组织的专家调查组的结 论可知,节约电能约达30%左右。同时根据专家调查组的结论,国家每年发电量的30 用于风机、水泵和交流牵引的异步电动机,如果这些异步电动机都改用变频调速,则每年 全国发电量的9%就节约下来了。 二)电力系统的应用领域 (1)自动化装置,最有代表性的是同步发电机的励磁调节系统。 (2)高压直流输电装置 (3)静止无功补偿装置。 (4)新能源的开发和超导贮能装置。 (5)固态断路器——切换用的电力电子断路器。 上述电力系统用的电力电子装置,除高压直流输电外,目前统称为柔性输电系统 ( Flexible AC Transmission Systemm-FACⅣS),这些电力电子装置实现对交流输电的调节
控制更加可靠、更快和更灵活,大大提高了电力系统运行的可靠性。从这些 FACTS中看 出,电力电子学在电力系统中的应用是全面的。FACⅠS不仅是电力电子器件,它还需要辅 以微型计算机、通信和测量手段,同时软件技术也是不可少的,因为需要快速地、完善地 测知电力网运行条件的变化,并快速计算出应怎样操作、应有多大补偿及其变化等,然后 又要能快速将这些操作信息送到相应设备中去,进行控制调节与操作。 三)工业自动化应用领域 工业电气自动化是电力电子学最活跃最能体现技术水平的领域,也是电力电子学渗透 最深的工业自动化、机器人控制、交通运输和国防现代化等领域中的一个。在工业自动化 方面可以集中到一点的是“电力传动”,即直流电动机、交流永磁电动机和直线电动机调 速的系统。有典型代表性的是交直流伺服系统。它的水平将体现一个国家的机床数控、机 器人控制、国防工业、计算机控制的综合制造系统(CMS)的能力。 (四)各类电源的应用领域 电力电子学的发展,使各类稳压电源从线性放大发展到无工频变压器的各种开关电 源,从而大大提高了电源效率,并且缩小了体积、节省了有色金属材料。大功率的超声源 和交换机用的通信电源,采用电力电子技术后,从原来的宠然大物变为“一个模块”。在 电源领域,当前的发展方向是采用有源功率因数校正技术,使之功率因数为1,并成为对 电网无谐波污染的“绿色”电源,同时采用软开关技术,提高电源的变换效率。 (五)家用电器(包括公共照明)的应用领域 家用电器和公共照明系统的特点是电压比较低(220VAC),功率一般都只有几十瓦 到数百瓦,而又量大、面广。这刚好是电力半导体器件最适应和最便宜的范围,因而促进 了电力电子技术在这一应用领域的发展。从调光台灯到电子镇流器的节能灯,从变频空调 到变频冰箱,无一不是用到电力电子技术,甚至连电视机的电源都要用到电力电子技术。 三、敏学任鲁与求 电力电子学作为电气工程专业本科的一门技术基础课,为培养具有开拓性和创造性的 人才打好基础、拓宽知识面。 通过本课程的学习,要求学生 (1)掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术 (2)掌握典型的电力电子变换器的工作原理:包括变换器本身的换流原理、工作波 形 (3)熟悉和掌握典型电力电子变换器中主要元件的参数选择; (4)熟悉几种典型电力电子变换器的集成调制器的工作原理。 由于电力电子学是一门实践性和适应性很强的课程,要求学生尽量争取参与一切可能 的实验和科研课题等实践环节,以培养动手能力