电力电子技术重点王兆安第五版
电力电子技术重点王兆安第五版
第1章绪论1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。
2 电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC-AC：逆变（3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第2章电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。
（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。
2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3 电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。
（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。
4 电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
如SCR晶闸管。
（2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。
如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。
（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
如电力二极管。
根据驱动信号的性质分类（1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如SCR、GTO、GTR。
（2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如MOSFET、IGBT。
根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。
如MOSFET。
电力电子技术-第五版(王兆安刘进军)课后详细答案
《电力电子技术》第五版机械工业出版社课后习题答案第二章电力电子器件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：u AK >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下，即降到维持电流以下，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、I d2、I d3与电流有效值I π4π4π25π4a)b)c)图1-43图1-43晶闸管导电波形解：a)I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2mI π2143+≈0.4767I m b)I d2=π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434I m I 2=⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22m I π2143+≈0.6741I m c)I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41I mI 3=⎰202)(21πωπt d I m =21I 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、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV)=100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知a)I m1≈4767.0I≈329.35，I d1≈0.2717I m1≈89.48b)I m2≈6741.0I ≈232.90,I d2≈0.5434I m2≈126.56c)I m3=2I =314,I d3=41I m3=78.55.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P 1N 1P 2和N 1P 2N 2构成两个晶体管V 1、V 2,分别具有共基极电流增益1α和2α，由普通晶闸管的分析可得，1α+2α=1是器件临界导通的条件。
电力电子技术 王兆安第五版 第5章
平均值分析
ton——V通的时间 toff——V断的时间 导通占空比
（2）电流断续 瞬态分析
I10=0，且t=ton+tx时， i2=0代入上
tx<toff
电流断续的条件：
平均值分析
典型例题
在降压斩波电路中，E＝110V，L=1MH，R=0.25Ω， Em=11V，T=2500us, ton=1000us, 计算：负载电 流平均值Io， 负载平均电压Uo, 计算负载电流的 最大值，最小值。 解题步骤： ①根据式 判断电流是否连 续。 ②由判断决定Uo,Io 的计算方法。 ③根据瞬时分析公式计算电流的最大值，最小值
续流二极管
（二） 工作原理
①电流连续
②电流断续
动态演示
（三）数量关系分析－ 从电路理论角度推导 （1）电流连续 瞬态分析
① V为通态期间， 设负载电流为i1，有 ：
设此阶段电流初值为I10， =L/R，解上式得
② V为断态期间，设 负载电流为i2，有：
设此阶段电流初值为I20， 解上式得：
<1>
<2> 且：I10＝i2(t2)，I20=i1(t1)，代入<1>,<2>
et1 / 1 E EM I10 T / e 1 R R
1 et1 / E EM I 20 T / 1 e R R
稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等： EI1ton=(U0-E)I1toff
ton toff T Uo E E toff toff
ton toff T Uo E E toff toff
升压比的倒数记作 ，即
和的关系：
电力电子技术第五版王兆安课件全
本课件旨在深入浅出地讲解电力电子技术的概念、元器件和应用，介绍电力 电子技术的发展历程及未来趋势。
电力电子技术概述
电力
电力是指电荷在电场中移动， 在载流子作用下（如电子和正 离子）而产生的能量。
电子元器件
电力电子元器件是指用于在电 力电子领域中进行实际应用的 半导体器件、磁性元件、电容 电阻等元器件。
寿命、可靠性
由于功率电子器件工作状 态的特殊性，其寿命、可 靠性十分重要，经常需要 进行多方面的工艺优化。
电力电子应用领域
1
电力系统
通过利用功率电子器件来稳定电力系统的电压，电压变换器用于控制柔性交流输电， 提高电力系统的质量。
2
新能源应用
电力电子技术被广泛应用于新型能源制备和利用系统中，如太阳能、风力发电、燃料 电池、储能系统等。
功率电子元器件
功率电子元器件是电力电子技 术中最重要的组成部分，包括 晶闸管、电力场效应管、IGBT 等。
电力电子器件的特点
高压高电流
功率电子器件频率高、电 压高、电流大、热量大， 因此具有高温、高电压、 高电流、高能损状态特点。
高频率、高速度
功率电子器件具有响应速 度快、开关频率高的特点， 这使得它们非常适合在不 同领域中进行应用。
电力电子技术的未来趋势
1 新型功率电子器件
发展更加高效稳定、高可靠性、符合环保要求的全新型号功率电子器件。
2 应用前景广阔
在电力电子技术的不断发展中，其应用场景、应用情境与需要的功能和性能已经无法估 量。
3 高端智能电网
未来电力电子技术的发展将主要体现在高端智能电网，特别是电池和电能储存技术的应 用上。
电力电子技术第五版王兆安课 件全
(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。
32
07
电力电子系统的设计与应用
2024/3/26
33
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
6
02
电力电子器件
2024/3/26
7
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
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10
半控型器件
2024/3/26
36
感谢您的观看
THANKS
2024/3/26
37
26
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。
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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 。
35
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
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4
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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5
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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10
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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11
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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13
1.3 电力电子技术的应用
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
电力电子技术重点王兆安第五版
第1章绪论1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。
2 电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC-AC：逆变（3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第2章电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。
（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。
2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3 电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。
（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。
4 电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
如SCR晶闸管。
（2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。
如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。
（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
如电力二极管。
根据驱动信号的性质分类（1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如SCR、GTO、GTR。
（2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如MOSFET、IGBT。
根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。
如MOSFET。
电力电子技术王兆安第五版课后习题答案
电力电子技术王兆安第五版课后习题答案目录第1章电力电子件 (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)I 2+4 I m sin ⎤td (⎤t ) = 2πm ( 2 + 1 ) H 0.2717 I m ++4 I m sin ⎤td (⎤t ) = πm ( 2 + 1 ) H 0.5434 I m +4 ( I m sin ⎤t ) d (⎤t ) = 1+I m d (⎤t ) =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：u AK >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下，即降到维持电流以下，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、I d2、I d3与电流有效值 I 1、I 2、I 3。
445422a)图 1-43 晶闸管导电波形c)解：a)I d1=1 2πI 1= 1 2 4( I m sin ⎤t ) 2 d (⎤t ) =I m 2 3+ 1 2 H 0.4767 I m b)1 I 2I d2 =πI 2 =1 2 2 I m2 3 4 + 1 2H 0.6741I c)I d3=1 2π+02 I m d (⎤t ) = 4 I mI 3 =1 2221 2I 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、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A的晶闸管，允许的电流有效值I =157A，由上题计算结果知a) I m1 H I0.4767H 329.35，I d1 H 0.2717 I m1 H 89.48b) I m2 HI0.6741H 232.90, I d2 H 0.5434 I m2 H 126.56c) I m3=2 I = 314, I d3= 14I m3=78.55. 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〈1和〈 2，由普通晶闸管的分析可得，〈1 + 〈 2 =1是器件临界导通的条件。
电力电子技术(第5版)(王兆安,刘进军)第2章 电力电子器件
-
V
+ + + + + + n +
p -
-
+
+
Wo W
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2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■二极管的基本原理——PN结的单向导电性 ◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则 形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF， 这就是PN结的正向导通状态。 ◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的 PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截 止状态。 ◆ PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压 过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截 止的工作状态，这就叫反向击穿。 ☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 ☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一 定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 ☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。
u i UFP
iF
u
2V 0
F
t fr
b) 零偏置转换为正向偏置
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
22/89
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。
能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电
电力电子技术王兆安真正第五版习题答案
电力电子技术真正的第五版课后习题答案第一章无.l第二章 电力电子器件2. 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：u AK >0且u GK >0。
3. 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下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
4. 图2-27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 1、I 2、I 3。
π4π4π25π4a)b)c)图1-43图2-27 晶闸管导电波形解：a) I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2m I π2143+≈0.4767 I m b) I d2 =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22m I π2143+≈0.6741I m c) I d3=π21⎰2)(πωt d I m=41 I m I 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21 I m5. 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、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知a) I m1≈4767.0I≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48 b) I m2≈6741.0I≈232.90, I d2≈0.5434 I m2≈126.56 c) I m3=2 I = 314,I d3=41 I m3=78.5第三章 整流电路1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L ＝20mH ，U 2＝100V ，求当α＝0︒和60︒时的负载电流I d ，并画出u d 与i d 波形。
电力电子技术第五版王兆安课件-1绪论
03
电力电子技术பைடு நூலகம்应用领 域
电力系统
电力系统中的高压直流输电（HVDC）
01
通过电力电子技术实现大容量、长距离的直流输电，提高电网
稳定性和输电效率。
灵活交流输电系统（FACTS）
02
基于电力电子技术的控制器能够对交流输电系统进行快速、灵
活的控制，改善电网的稳定性、阻尼和潮流控制。
分布式发电与微电网
电力电子技术第五版 王兆安课件-1绪论
目 录
• 电力电子技术的定义与重要性 • 电力电子技术的发展历程 • 电力电子技术的应用领域 • 电力电子技术的基本元件与电路 • 电力电子技术的未来挑战与解决方案 • 结论
01
电力电子技术的定义与 重要性
定义
总结词
电力电子技术是一门研究利用半导体电力电子器件进行电能转换和控制的学科。
结合可再生能源的发展，研究电力电子技 术在绿色能源转换和智能电网建设中的应 用，推动能源可持续发展。
06
结论
本章总结
01
介绍了电力电子技术的 定义、发展历程和应用 领域。
02
强调了电力电子技术在 能源转换和智能电网中 的重要性。
03
概述了电力电子技术的 基本概念、电路拓扑和 变换理论。
04
展望了未来电力电子技 术的发展趋势和挑战。
稳压等领域。
电路分析方法
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律是电路分析的基本原理，包括电流定律和电压定律， 用于描述电路中电压和电流的关系。
等效电路法
等效电路法是一种将复杂电路简化为简单电路的方法，通过引入等 效电阻、电感等元件来简化电路分析。
状态方程法
状态方程法是一种描述电路中状态变量的方法，通过建立状态方程 来分析电路的工作状态和动态特性。
最新《电力电子技术》西安交通大学_王兆安_第五版
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。
8
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。
☞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。
11
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 降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。
年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
13
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。
电力电子技术 第五版 (王兆安 刘进军 着) 机械工业出版社
开关速度低，为电流驱动，所需 驱动功率大，驱动电路复杂，存 在二次击穿问题
GTO
电压、电流容量大，适用于大功率场 合，具有电导调制效应，其通流能力 很强
电流关断增益很小，关断时门极 负脉冲电流大，开关速度低，驱 动功率大，驱动电路复杂，开关 频率低
案 0
π
答ud
2π
ωt
后0
π
2π
ωt
课
id
0
π
2π
ωt
当α＝60°时，在 u2 正半周期 60°~180°期间晶闸管导通使电感 L 储能，电感 L 储藏的
能量在 u2 负半周期 180°~300°期间释放，因此在 u2 一个周期中 60°~300°期间以下微分方程
成立：
L d id = dt
2U 2 sin ωt
GTO 驱动电路的特点是：GTO 要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅 值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和 陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。
电力 MOSFET 驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且 电路简单。
对于电感负载：（α ~ π＋α）期间，单相全波电路中 VT1 导通，单相全控桥电路中 VT1、VT4 导通，输出电压均与电源电压 u2 相等；（π＋α ~ 2π＋α）期间，单相全波电 路中 VT2 导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3 导通，输出波形等于− u2。
因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向
案 相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。 答 以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。 后 ① 以晶闸管 VT2 为例。当 VT1 导通时，晶闸管 VT2 通过 VT1 与 2 个变压器二次绕组
电力电子技术 第五版(王兆安刘进军)课后详细答案
《电力电子技术》第五版 机械工业出版社课后习题答案第二章 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：u AK >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下，即降到维持电流以下，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、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3。
002π2π2ππππ4π4π25π4a)b)c)图1-430图1-43 晶闸管导电波形解：a) I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2mI π2143+≈0.4767 I m b) I d2 =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22m I π2143+≈0.6741I m c)I d3=π21⎰2)(πωt d I m =41I mI 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21I 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、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知 a) I m1≈4767.0I≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48b)I m2≈6741.0I ≈232.90,I d2≈0.5434 I m2≈126.56 c) I m3=2 I = 314,I d3=41 I m3=78.55. 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P 1N 1P 2和N 1P 2N 2构成两个晶体管V 1、V 2,分别具有共基极电流增益1α和2α，由普通晶闸管的分析可得，1α+2α=1是器件临界导通的条件。
《电力电子技术(第5版)》王兆安_第3章_整流电路
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3.1.2 单相桥式全控整流电路
◆基本数量关系
☞整流电压平均值为：
Ud
1
p
p a a
2U 2
sinwtd(wt)
2
p
2
U2
cosa
0.9U 2
cosa
(3-15)
当a=0时，Ud0=0.9U2。a=90时，Ud=0。晶闸管移相范围
为90。
☞晶闸管承受的最大正反向电压均为 2U2。
☞晶闸管导通角q与a无关，均为180，其电流平均值和
e)
0
q
wt
☞wt2时刻，电感能量释放完毕，id降至
u
零，VT关断并立即承受反压。
VT f)
☞由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，
0
wt
使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相
图3-2 带阻感负载的单相半
比其平均值Ud下降。
波可控整流电路及其波形
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3.1.1 单相半波可控整流电路
◆电力电子电路的一种基本分析 方法
Id Id Id
wt
wt
☞wt=p+a时刻，触发VT2和VT3，
w t VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别
w t 向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，
流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和
图3-6 单相桥式全控整流电流带 阻感负载时的电路及波形
VT3上，此过程称为换相，亦称换流。
wt
端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。
☞到u2过零时，电流又降为零，VT2和
图3-5 单相全控桥式
VT3关断。
带电阻负载时的电路及波形
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第1章绪论1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。
2 电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC-AC：逆变（3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。
第2章电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。
（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。
2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3 电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。
（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。
4 电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
如SCR晶闸管。
（2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。
如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。
（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
如电力二极管。
根据驱动信号的性质分类（1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如SCR、GTO、GTR。
（2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。
如MOSFET、IGBT。
根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。
如MOSFET。
（2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。
如SCR、GTO、GTR。
（3）复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。
如IGBT。
5 半控型器件—晶闸管SCR将器件N1、P2半导体取倾斜截面，则晶闸管变成V1-PNP和V2-NPN两个晶体管。
晶闸管的导通工作原理（1）当AK间加正向电压AE，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向PN结。
（2）当GK间加正向电压GE，NPN晶体管基极存在驱动电流GI，NPN晶体管导通，产生集电极电流2c I。
（3）集电极电流2c I构成PNP的基极驱动电流，PNP导通，进一步放大产生PNP集电极电流1c I。
（4）1c I与GI构成NPN的驱动电流，继续上述过程，形成强烈的负反馈，这样NPN 和PNP两个晶体管完全饱和，晶闸管导通。
2.3.1.4.3 晶闸管是半控型器件的原因（1）晶闸管导通后撤掉外部门极电流GI，但是NPN基极仍然存在电流，由PNP集电极电流1c I供给，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。
（2）因此，晶闸管的门极电流只能触发控制其导通而不能控制其关断。
2.3.1.4.4 晶闸管的关断工作原理满足下面条件，晶闸管才能关断：（1）去掉AK间正向电压；（2）AK间加反向电压；（3）设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。
2.3.2.1.1 晶闸管正常工作时的静态特性（1）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。
（2）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导通。
（3）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。
（4）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。
2.4.1.1 GTO的结构（1）GTO与普通晶闸管的相同点：是PNPN 四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。
（2）GTO与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个供阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构才能实现门极关断作用。
2.4.1.2 GTO的静态特性（1）当GTO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。
（2）当GTO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导通。
（3）GTO导通后，若门极施加反向驱动电流，则GTO关断，也即可以通过门极电流控制GTO导通和关断。
（4）通过AK间施加反向电压同样可以保证GTO关断。
2.4.3 电力场效应晶体管MOSFET （1）电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。
（3）当GSU大于某一电压值T U时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，形成反型层。
2.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT （1）GTR和GTO是双极型电流驱动器件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
（2）电力MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快、所需驱动功率小，驱动电路简单。
（3）复合型器件：将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。
（4）绝缘栅双极晶体管IGBT是一种复合型器件，由GTR和MOSFET两个器件复合而成，具有GTR和MOSFET两者的优点，具有良好的特性。
（1）IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。
（2）IGBT由MOSFET和GTR组合而成。
第3章整流电路（1）整流电路定义：将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。
3.1.1 单相半波可控整流电路（4）触发角α：从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或控制角。
（7）几个定义①“半波”整流：改变触发时刻，du和d i波形随之改变，直流输出电压du为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在2u正半周内出现，因此称“半波”整流。
②单相半波可控整流电路：如上半波整流，同时电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，因此为单相半波可控整流电路。
3.1.1.3 电力电子电路的基本特点及分析方法（1）电力电子器件为非线性特性，因此电力电子电路是非线性电路。
（2）电力电子器件通常工作于通态或断态状态，当忽略器件的开通过程和关断过程时，可以将器件理想化，看作理想开关，即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。
3.1.2 单相桥式全控整流电路3.1.2.1 带电阻负载的工作情况（1）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的原理图①由4个晶闸管（VT1 ~VT4）组成单相桥式全控整流电路。
② VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成一对桥臂。
（2）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形图①α~0：●VT1 ~VT4未触发导通，呈现断态，则0d=u、0d=i、02=i。
●2VTVT41uuu=+，2VTVT2141uuu==。
② πα~：●在α角度时，给VT 1 和VT 4加触发脉冲，此时a 点电压高于b 点，VT 1 和VT 4承受正向电压，因此可靠导通，041VT VT ==u u 。
●电流从a 点经VT 1 、R 、VT 4流回b 点。
●2d u u =，d 2i i =，形状与电压相同。
③ )(~αππ+：●电源2u 过零点，VT 1 和VT 4承受反向电压而关断，2VT VT 2141u u u ==（负半周）。
●同时，VT 2 和VT 3未触发导通，因此0d =u 、0d =i 、02=i 。
④ παπ2~)(+：●在)(απ+角度时，给VT 2 和VT 3加触发脉冲，此时b 点电压高于a 点，VT 2 和VT 3承受正向电压，因此可靠导通，03VT VT 2==u u 。
●VT 1 阳极为a 点，阴极为b 点；VT 4 阳极为a 点，阴极为b 点；因此2VT VT 41u u u ==。
●电流从b 点经VT 3 、R 、VT 2流回b 点。
●2d u u -=，d 2i i -=。
（3）全波整流在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，因此该电路为全波整流。
（4）直流输出电压平均值2cos 19.02cos 122)(sin 21222d ααπωωππα+=+==⎰U U t td U U（5）负载直流电流平均值2cos 19.02cos 122R 22d d ααπ+=+==R U R U U I（6）晶闸管参数计算 ① 承受最大正向电压：)2(212U② 承受最大反向电压：22U③ 触发角的移相范围：0=α时，2d 9.0U U =；o 180=α时，0d =U 。
因此移相范围为o 180。
④ 晶闸管电流平均值：VT 1 、VT 4与VT 2 、VT 3轮流导电，因此晶闸管电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即2cos 145.0212d dVT α+==R U I I 。
3.1.2.2 带阻感负载的工作情况 （1）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图（2）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形图● 分析时，假设电路已经工作于稳态下。
●假设负载电感很大，负载电流不能突变，使负载电流d i 连续且波形近似为一水平线。
① πα~：●在α角度时，给VT 1 和VT 4加触发脉冲，此时a 点电压高于b 点，VT 1 和VT 4承受正向电压，因此可靠导通，041VT VT ==u u 。
●电流从a 点经VT 1 、L 、R 、VT 4流回b 点，2d u u =。
● d i 为一水平线，2d VT 1,4i i i ==。
●VT 2 和VT 3为断态，02,3VT =i② )(~αππ+：●虽然二次电压2u 已经过零点变负，但因大电感的存在使VT 1 和VT 4持续导通。
●041VT VT ==u u ，2d u u =，2d VT 1,4i i i ==，02,3VT =i 。
③ παπ2~)(+：●在)(απ+角度时，给VT 2 和VT 3加触发脉冲，此时b 点电压高于a 点，VT 2 和VT 3承受正向电压，因此可靠导通，03VT VT 2==u u 。
●由于V T2和V T3的导通，使VT 1 和VT 4承受反向电压而关断01,4VT =i 。
VT 1 阳极为a 点，阴极为b 点；VT 4 阳极为a 点，阴极为b 点；因此2VT 1,4u u =。
●电流从b 点经VT 3 、L 、R 、VT 2流回b 点，2d u u -=。
●d i 为一水平线，2d VT 2,3i i i -==。
④ )2(~2αππ+：●虽然二次电压2u 已经过零点变正，但因大电感的存在使VT 2 和VT 3持续导通。