三相半波整流电路的设计说明书

三相半波整流电路的设计

摘要

整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。

关键词：整流，变压，触发，晶闸管，额定。

目录

摘要 (Ⅰ)

1课程设计目的及任务 (1)

1.1课程设计的目的 (1)

1.2课程设计任务 (1)

1.3课程设计的要求 (1)

2主电路设计及原理 (2)

2.1主电路设计 (2)

2.2主电路原理说明 (2)

3各参数的计算 (5)

3.1输出值的计算 (5)

3.2晶闸管的额定电压 (6)

4课程设计所用器件 (7)

4.1晶闸管简介 (7)

4.2晶闸管分类 (7)

4.3晶闸管工作原理 (8)

4.4晶闸管工作过程 (8)

4.5主要用途 (11)

5PSIM软件仿真结果与分析 (12)

5.1PSIM软件仿真结果 (12)

5.1.1 α=30°，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果 (12)

5.1.2 α=90°，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果 (13)

5.1.3 α=120°，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果 (14)

5.2结果分析 (15)

6心得体会 (16)

致谢 (17)

参考文献 (18)

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1 课程设计目的及任务

1.1课程设计的目的

本次课程设计是利用电力电子技术中所学的知识对三相半波整流电路进行了整体设计，并利用PSIM软件进行仿真，对所设计电路进行检验验证。本次课程设计使我们充分对电力电子技术中各个电路深入理解，培养了我们利用电力电子技术解决工程技术问题的能力；同时提高了我们查阅资料、运用计算机辅助工具绘制原理图和阅读原理图的能力，从而加深我们对电力电子知识的系统掌握，提升动手能力，学会使用基本的电路仿真软件，获得初步的应用经验，为我们走出校门从事电力电子技术的相关工作打下基础。

1.2课程设计任务

在理解三相半波整流电路工作原理的基础上，设计出三相半波整流电路带电阻负载时的电路原理图，使用PSIM软件对所设计的电路带不同负载的情况下晶闸管取三个不同的触发角（要求α＞90°、α=90°和α＜90°各取一个角度）进行仿真，分别获得d

U、Id、UVT、IVT、Ia波形，并对所给出的角度计算上述数值。

1.3 课程设计的要求

（1）设计出合理的整流电路图。

（2）选择不同触发角度，仿真出波形并作计算。

（3）给出详细的仿真过程描述和详细的计算步骤和过程。

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2 主电路设计及原理

2.1 主电路设计

其原理图如图1所示。

图2-1 三相半波可控整流电路原理图

为了得到零线，整流变压器的二次绕组必须接成星形，而一次绕组多接成三角形，使其3次谐波能够通过，减少高次谐波的影响。三个晶闸管的阳极分别接入u、v、w 三相电源，它们的阴极连接在一起，称共阴极接法，这对触发电路有公共线者连线较方便，用得较广。

2.2主电路原理说明

图2-2 三相半波可控整流电路电阻负载α=00时的波形

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图2-3 三相半波整流电路电阻负载α=300时的波形

图2-4 三相半波整流电路电阻负载α=600时的波形

稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120o，规定ωt=π/6为控制角α的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的π/6处，即ωt1、ωt2、ωt3，自然换相点之间互差2π/3，三相脉冲也互差120o。

在ωt1时刻触发VT1，在ωt1～ωt2区间有uu>uv、uu>uw，u相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压ud＝uu。其他晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等。

在ωt2时刻触发VT2，在ωt2～ωt3区间v相电压最高，由于uu

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向电压而导通，ud＝uv。VT1两端电压uT1=uu-uv= uuv<0，晶闸管VT1承受反向电压关断。

在VT2导通期间，VT1两端电压uT1= uu-uv= uuv。在ωt2时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通的过程称为换相。

在ωt3时刻触发VT3，在ωt3～ωt4区间w相电压最高，由于uv

这样在一周期内，VT1只导通2π/3，在其余4π/3时间承受反向电压而处于关断状态。只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通，输出电压ud波形是相电压的一部分，每周期脉动三次，是三相电源相电压正半波完整包络线，输出电流id与输出电压ud波形相同(id=ud/R)。

电阻性负载α=0o时，VT1在VT2、VT3导通时仅承受反压，随着α的增加，晶闸管承受正向电压增加；其他两个晶闸管承受的电压波形相同，仅相位依次相差120o。增大α，则整流电压相应减小。

α=30o是输出电压、电流连续和断续的临界点。当α<30o时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。当α>30o时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管都不导通，直到后一相的晶闸管被触发导通。

从上述波形图可以看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值，UFM =U2，晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值，URM =U2。α=150o时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0o～150o。

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3 各参数的计算

3.1 输出值的计算

三相桥式全控整流电路中，整流输出电压ud 的波形在一个周期内脉动3次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波（即1/3周期）进行计算即可。对于电阻性负载而言，当α<0o时，例如α=0o，上图1.1所示，各晶闸管上的触发脉冲，其相序与电源的相序相同，各相触发脉冲依次间隔120o，在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导电120o，负载电流是连续的。增大α值，即触发脉冲后移，则整流电压相应减小。当α=30o时，如上图1.2所示，从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各项仍导电120o。如果α>30o，例如α=60o，如上图1.3所示，当导通的一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，此时下一相晶闸管虽然承受正向电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，姑输出电压和电流都为零，直到下一相触发脉冲出现为止，显然电流断续，各晶闸管导电时间都小于120o。如果α角继续增大，那么整流电压将越来越小。当α=150o时，整流输出电压为零。故电阻负载时要求的移相范围为150o。

下面分两种情况来计算整流电压的平均值：

(1)α≤30?时，负载电流连续，有：

（3-1）

当00α=时，d U 为最大，d d02U =U =1.17U

(2)α>30?时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：

（3-2）

(3)当0150α=时，

d U =0 （3-3）

负载电流的平均值d I 为

d d U I =R

（3-4） 由于晶闸管是交替工作的，流过晶闸管的平均电流为

dT d 1I =I 3

（3-5） 56

6d 221sin () 1.17cos 2/3U td t U ππααωωαπ++==?6d 221sin ()0.675[1cos(/6)]2/3U td t U ππαωωπαπ+==++?

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3.2晶闸管的额定电压

晶闸管电压定额（一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍）,如下：

()263~2U U N = （3-6）

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4 课程设计所用器件

4.1 晶闸管简介

晶体闸流管，简称晶闸管，指的是具有四层交错P、N层的半导体装置。最早出现与主要的一种是硅控整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），中国大陆通常简称可控硅，又称半导体控制整流器，是一种具有三个PN结的功率型半导体器件，为第一代半导体电力电子器件的代表。晶闸管的特点是具有可控的单向导电，即与一般的二极管相比，可以对导通电流进行控制。晶闸管具有以小电流（电压）控制大电流（电压）作用，并体积小、轻、功耗低、效率高、开关迅速等优点，广泛用于无触点开关、可控整流、逆变、调光、调压、调速等方面。

晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

晶闸管是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。1957年，美国通用电器公司开发出世界上第一个晶闸管产品，并于1958年使其商业化。

晶闸管结构：它是由一个PNPN四层半导体构成的，中间形成了三个PN结。

4.2 晶闸管分类

（1）按关断、导通及控制

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。

（2）按引脚和极性

晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

（3）按封装形式

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

（4）按电流容量

晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

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（5）按关断速度

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400HZ 和10kHZ 以上的斩波或逆变电路中。

4.3 晶闸管工作原理

晶闸管T 在工作过程中，它的阳极（A ）和阴极（K ）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G 和阴极K 与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

晶闸管的工作条件：

1．晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态

2．晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性.

3．晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用

4．晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

全控型晶闸管的工作条件：

1．晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。

2．晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或电流）的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。

3．一旦晶闸管开始导通，它就被钳住在导通状态，而此时门极电流可以取消。晶闸管不能被门极关断，像一个二极管一样导通，直到电流降至零和有反向偏置电压作用在晶闸管上时，它才会截止。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻将晶闸管再次触发导通。

4.4 晶闸管工作过程

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN 结，可以把它中间的NP 分成两部分，构成一个PNP 型三极管和一个NPN 型三极管的复合管

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN 结J2失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流g I 流入时，就会形成强烈的正反馈，造

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成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP 管和NPN 管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia 和k I ；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia 和a2=Ic2/k I ，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为g I ，则晶闸管阴极电流为k I =Ia+g I

从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2）（1—1）式

硅PNP 管和硅NPN 管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，g I =0,(a1+a2）

很小，故晶闸管的阳极电流Ia ≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G 流入电流g I ，由于足够大的g I 流经NPN 管的发射结，从而提高起点流放大系数a2，产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP 管的发射结，并提高了PNP 管的电流放大系数a1，产生更大的极电极电流Ic1流经NPN 管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0，即使此时门极电流g I =0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia 而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia 减小到维持电流IH 以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

可关断晶闸管GTO ，亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。前已述及，普通晶闸管（SCR ）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH ，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO 的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR ），只是工作频纺比GTR 低。目前，GTO 已

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达到3000A 、4500V 的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。

可关断晶闸管也属于PNPN 四层三端器件，其结构及等效电路和普通晶闸管相同，因此仅绘出GTO 典型产品的外形及符号。大功率GTO 大都制成模块形式。

尽管GTO 与SCR 的触发导通原理相同，但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态，而GTO 在导通后只能达到临界饱和，所以GTO 门极上加负向触发信号即可关断。GTO 的一个重要参数就是关断增益，off β，它等于阳极最大可关断电流IATM 与门极最大负向电流IGM 之比，有公式

off

β =IATM/IGM off β一般为几倍至几十倍。off β值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。 下面分别介绍利用万用表判定GTO 电极、检查GTO 的触发能力和关断能力、估测关断增益off β的方法。

检查关断能力

现采用双表法检查GTO 的关断能力，表Ⅰ的档位及接法保持不变。将表Ⅱ拨于R ×10档，红表笔接G 极，黑表笔接K 极，施以负向触发信号，如果表Ⅰ的指针向左摆到无穷大位置，证明GTO 具有关断能力。

估测关断增益off β

进行到第3步时，先不接入表Ⅱ，记下在GTO 导通时表Ⅰ的正向偏转格数n1；再接上表Ⅱ强迫GTO 关断，记下表Ⅱ的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益：

off β=IATM/IGM ≈IAT/IG=K1n1/ K2n2

式中K1—表Ⅰ在R ×1档的电流比例系数；K2—表Ⅱ在R ×10档的电流比例系数。 off β≈10×n1/ n2

此式的优点是，不需要具体计算IAT 、IG 之值，只要读出二者所对应的表针正向偏转格数，即可迅速估测关断增益值。

注意事项：

（1）在检查大功率GTO 器件时，建议在R ×1档外边串联一节1.5V 电池E ′，以提高测试电压和测试电流，使GTO 可靠地导通。

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（2）要准确测量GTO 的关断增益off ，必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同，测量结果仅供参考，或作为相对比较的依据。

4.5 主要用途

普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS 的控制极没有输入触发脉冲Ug ，VS 仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug 时，晶闸管被触发导通。现在，画出它的波形图，可以看到，只有在触发脉冲Ug 到来时，负载RL 上才有电压UL 输出（波形图上阴影部分）。Ug 到来得早，晶闸管导通的时间就早；Ug 到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug 到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值L U （阴影部分的面积大小）。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α；在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显，α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL ，实现了可控整流。

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5 PSIM 软件仿真结果与分析

5.1 PSIM 软件仿真结果

5.1.1 α=30°，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果

图5-1 α=30°，电阻负载电路图

图5-2 α=30°，电阻负载波形图（从上到下分别为ud ，id ，ivt1，uvt1）

由（3-1）式，（3-4）式和（3-5）式可求得

9.2222

3*220*17.1==d U V ，29.22109.222===R U I d d A 67.13

1==d dvt I I A

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5.1.2 α=90°，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果

图5-3 α=90°，电阻负载电路图

图5-4 α=90°，电阻负载波形图（从上到下分别为ud ，id ，ivt1，uvt1）

由（3-2）式，（3-4）式和（3-5）式可求得

()25.745.01*220*675.0=-=d U V ，425.710

25.74===

R U I d d A 475.231==d dvt I I A

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5.1.3 α=120°，电阻负载时的电路图，波形图及计算结果

图5-5 α=120°，电阻负载电路图

图5-6 α=120°，电阻负载波形图（从上到下分别为ud ，id ，ivt1，uvt1）

由（3-2）式，（3-4）式和（3-5）式可求得

9.19231*220*675.0=???

? ??-=d U V ，99.1109.19===R U I d d A 67.03

1==d dvt I I A

三相半波整流电路的设计15 5.2 结果分析

通过对三相半波整流电路的仿真设计，我们不难发现，各晶闸管上的触发脉冲，其相序与电源的相序相同，各相触发脉冲依次间隔120°，在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导电120°，负载电流是连续的。增大触发角的值，即触发脉冲后移，则整流电压相应减小。

当触发角为30°时，其波形如图5-2所示，从输出电压、电流的波形可看出，这时负载电流处于连续和断续的临界状态，各项仍导电120°。

如果触发角大于30°，例如触发角等于90°时，如图5-4所示，当导通的一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，此时下一相晶闸管虽然承受正向电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，故输出电压和电流都为零，直到下一相触发脉冲出现为止，显然电流不连续，各晶闸管导电时间都小于120°。

如果触发角继续增大，那么整流电压将越来越小，当触发角为120°时如图5-6所示，明显比触发角为90°的输出波形要窄，再继续增大触发角则会导致输出电压继续减小，直至为0，分析有当触发角为150°时，其输出电压为0，电流为0，即不导通状态，也就是在上述过程中，触发角等的范围为0-150°。

仿真所得结果与理论结果无异。

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6 心得体会

这次课程设计加深了我对电力电子这门学科的理解，使我对于四大变换电路（整流，逆变，斩波和交流变换）由原来的一知半解变为深入理解，同时我也感受到电力电子技术的强大之处，认识到电力电子是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术，它是工业化和信息化融合的重要手段，它将各种能源高效率地变换成为高质量的电能，将电子信息技术和传统产业相融合的有效技术途径；同时还是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段，在执行当前国家节能减排、发展新能源、实现低碳经济的基本国策中起着重要的作用。同时我也感受到PSIM这款仿真软件的强大之处，使我做到了理论与实际相结合。让我感受最深的是，做任何事情都要先思考再动手，切记不要盲目的去动手，一定要做好规划，听取老师的指导和建议，多和同学交流，吸取经验，细心的一步一步的去做，这样才能达到要求的目标。

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致谢

此次电力电子课程设计中，我由衷的感谢在课设过程中给我指导的陈老师，正是由于陈老师的细心指导才有良好的结果。还要感谢我的队友，在整个设计及仿真的过程中，正是因为我们的团结合作才成功的完成了这次的设计任务。

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参考文献

[1]王兆安、刘进军,电力电子技术.5版.北京：机械工业出版社，2009.5.