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本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。本书主要论述了现代电力电子技术的基本原理、分析方法和典型应用。全书共8章，内容包括：现代电力电子器件，尤其是最新场控器件IGBT，IGCT等的开关特性；电力电子电路拓扑研究及综合，重点是在已知电源和负载特性的条件下，如何综合出最佳电力电子线路的系统方法；电力电子电路换流原理及分析方法，在分析二阶电路中引入相平面法，使其分析和计算大大简化；谐振式变换器及软开关技术，重点介绍零电流和零电压准谐振电路及推广应用；电力电子在交流电机控制传动系统中的应用；无功补偿、有源滤波及PFC技术。

目    录
绪论     
 0.1   现代电力电子技术的基本概念    
 0.2   现代电力电子技术的发展和现状     
   0.2.1   电力电子器件的发展历程     
   0.2.2   电力电子应用技术的发展现状    
   0.2.3   现代电力电子技术的发展趋势     
 0.3   现代电力电子技术的基本特征  
   0.3.1   以弱电控制强电，成为连接信息产业和传统产业的必要环节  
   0.3.2   可以节约电能，缓解能源危机,减少环境污染    
   0.3.3   典型的高技术及很多高新技术的支撑技术    
 0.4   现代电力电子技术的应用领域   
   0.4.1   在电力传动系统中的应用  
   0.4.2   在工业和民用电源系统中的应用  
   0.4.3   在电力系统中的应用  
   0.4.4   在高新技术领域的应用     
 0.5   现代电力电子技术的研究方法和学术园地   
第1章   现代电力电子器件的开关特性    
 1.1   概述    
 1.2   半导体物理基础及器件分类    
   1.2.1   硅和半导体  
   1.2.2   pn结和击穿原理   
   1.2.3   pn结的电容效应和反向恢复时间     
   1.2.4   非穿通、穿通和电场截止结构     
   1.2.5   电力电子器件的分类   
 1.3   电流控制型器件的开关特性    
   1.3.1   双极型晶体管    
   1.3.2   门级可关断晶闸管    
 1.4   电压控制型器件的开关特性     
   1.4.1   功率场效应晶体管    
   1.4.2   静电感应晶体管/晶闸管    
   1.4.3   绝缘栅双极型晶体管  
   1.4.4   集成门极换流晶闸管     
 1.5   缓冲吸收电路     
   1.5.1   基本原理   
   1.5.2   关断缓冲用RCD吸收电路    
   1.5.3   复合式Snubber电路    
   1.5.4   能量回馈式缓冲吸收电路    
 参考文献     
第2章    电力电子电路拓扑研究——综合与分析     
 2.1   概述    
 2.2   对偶原理及其在电力电子电路中的应用     
   2.2.1   对偶原理    
   2.2.2   开关器件的对偶     
   2.2.3   对偶原理在电力电子电路中的简单应用     
 2.3   开关电路中电源和负载的性质  
   2.3.1   理想电源定义及其引申     
   2.3.2   电力电子电路中的电源/负载    
 2.4   电力电子电路基本拓扑   
   2.4.1   电源和负载的性质不同的基本拓扑    
   2.4.2   电源和负载均为电压源的基本拓扑    
   2.4.3   电源和负载均为电流源的基本拓扑    
 2.5   电路拓扑综合应用举例    
   2.5.1   电路拓扑综合的具体步骤     
   2.5.2   电路拓扑综合应用举例    
 2.6   6种基本DCDC电路的分析    
   2.6.1   Buck变换器  
   2.6.2   Boost变换器   
   2.6.3   BuckBoost变换器  
   2.6.4   Cuk变换器     
   2.6.5   Zeta变换器    
   2.6.6   Sepic变换器    
 2.7   电力电子电路最小单元及PWM开关  
   2.7.1   电力电子电路最小单元    
   2.7.2   最小单元在电路拓扑中的应用     
   2.7.3   PWM开关建模  
 参考文献    
第3章   电力电子电路换流原理与应用      
 3.1   基本换流单元    
 3.2   晶闸管换流方法分类   
   3.2.1   电压式换流（脉冲换流）     
   3.2.2   电流式换流（谐振换流）    
 3.3   强迫换流电路的分析方法——相平面法    
   3.3.1   电压源激励下的串联谐振回路   
   3.3.2   电流源激励下的并联谐振回路     
   3.3.3   电压源与电流源同时存在的谐振回路     
 3.4   用相平面法分析电路举例     
   3.4.1   电容充电电路   
   3.4.2   能量补充电路   
   3.4.3   Wagner斩波器  
 3.5   典型应用    
   3.5.1   电压型逆变器  
   3.5.2   电流型逆变器    
     参考文献     
第4章   谐振变换器和软开关技术      
 4.1   概述    
 4.2   准谐振变换器    
   4.2.1   零电流开关准谐振变换器     
   4.2.2   零电压开关准谐振变换器   
   4.2.3   零电压开关多谐振变换器 
   4.2.4   准方波ZVS变换器   
   4.2.5   谐振开关技术在三相电路中的推广   
     4.3    软开关技术    
   4.3.1    ZVSPWM和ZCSPWM电路     
   4.3.2    零过渡PWM变换器     
     参考文献    
第5章   电压型PWM变频调速控制    
 5.1   概述     
 5.2   变频调速的基本原理  
   5.2.1   变压变频（VVVF）控制原理   
   5.2.2   异步电机变压变频时的机械特性  
 5.3   电压型PWM变频器     
   5.3.1   电压型PWM变频器的主回路  
   5.3.2   PWM控制技术分类   
   5.3.3   PWM控制性能指标   
 5.4   正弦PWM控制技术     
   5.4.1   电压正弦PWM技术  
   5.4.2   电流正弦PWM技术   
 5.5   磁通正弦PWM技术  
 5.6   优化PWM技术 
 5.7   随机PWM技术 
 参考文献   
第6章   多电平变换器原理及其控制    
 6.1   概述  
 6.2   多电平变换器的基本模型和分析方法
   6.2.1   多电平变换器的基本模型   
   6.2.2   多电平变换器的特点和应用  
   6.2.3   多电平变换器基本单元分析法     
 6.3   二极管箝位型多电平变换器  
   6.3.1   二极管箝位型三电平变换器原理及分析     
   6.3.2   三电平逆变器的空间电压矢量模型     
   6.3.3   三相箝位型多电平变换器工作原理及分析  
 6.4   电容箝位型多电平变换器     
 6.5   通用箝位型多电平变换器   
   6.5.1   通用型多电平电路结构   
   6.5.2   通用型五电平电路结构  
   6.5.3   通用型多电平电路的派生结构    
 6.6   级联型多电平变换器   
   6.6.1   级联型多电平变换器的典型结构  
   6.6.2   级联型多电平变换器结构扩展     
 6.7   多电平变换器载波PWM控制   
   6.7.1   三电平载波PWM控制技术    
   6.7.2   多电平载波PWM技术   
 6.8   多电平空间矢量PWM技术    
   6.8.1   三电平空间矢量PWM控制  
   6.8.2   多电平空间矢量PWM技术    
 6.9   多电平SVPWM和载波PWM的统一   
   6.9.1   三电平SVPWM的载波调制形式   
   6.9.2   多电平空间矢量PWM的载波调制形式 
 参考文献     
第7章   电力系统无功及谐波治理
 7.1   概述  
 7.2   无功功率和谐波的产生  
   7.2.1   无功功率、功率因数的定义   
   7.2.2   谐波和无功功率的来源  
   7.2.3   谐波和无功功率的危害  
   7.2.4   谐波和无功功率的消除和补偿    
 7.3   高功率因数电力电子装置   
   7.3.1   功率因数校正电路     
   7.3.2   PWM整流电路     
   7.3.3   矩阵式变换器     
 7.4   无功补偿和有源滤波   
   7.4.1   静止无功补偿装置     
   7.4.2   有源电力滤波器    
 参考文献   
附录A   SVPWM变频调速异步电机的开环控制

前  言

    电力电子技术从晶闸管的发明算起已有50多年的历史。从笔者首次接触电力电子技术到现在也已经有20多年，但是其发展速度和应用领域至今仍看不到任何减缓和饱和的迹象。相反，自20世纪80年代，即可关断器件广泛应用以来，我们进入了一个现代电力电子技术的蓬勃发展时代。其核心在于利用功率半导体器件的开关作用，构成频率从零到兆赫兹、容量从几瓦到几十兆瓦之间任意组合的有功和无功电源，给各种负载供电，使电能的产生、传输和使用效率大大提高，并实现了用电装置的小型化、轻量化及原材料的大量节省，广泛地应用于电气传动、电力系统及各种电源系统等工业生产和民用部门。此外，电能质量的控制及新能源的开发，电气设备的自动化控制，都在很大程度上依赖于现代电力电子技术的进步
和成就。
    现代电力电子技术具有以弱电控制强电的特点，成为连接信息产业和传统产业的必要环节；还可以节约电能，缓解能源危机,减少环境污染；是典型的高技术及众多高新技术的支撑技术。相对于微电子技术来讲，有人称现代电力电子技术为第二次电子革命。了解和掌握这些现代电力电子器件和线路的工作原理和控制方法，不仅可以根据实际需要选择合理的结构和控制方案，以达到效率和成本最佳，而且对消化吸收国外先进技术不无裨益。同时，对进一步深入研究和发展现代电力电子系统的控制和应用也是必不可少的。
    近年来，关于现代电力电子技术及其应用的研究向着高频、高效（低开关损耗）、高功率密度（组合集成化）、高功率因数及高压大功率的方向迅速发展，积累了大量的文献，成
果极为丰硕，国内外的著作也很多。自从十多年前清华大学设置现代电力电子学研究生课程
以来，我们一直试图跟上技术进步的节奏，将一些新的内容引入课程的教学中。但是，
一些新的研究、新的应用层出不穷，已远远超出了一般读者的知识范围。因此，作者在教学
过程中，一直盼望有一本系统地介绍现代电力电子器件、线路工作原理的书籍，为读者进一
步深入研究该技术打下基础；另一方面，较为全面地介绍这类系统的控制方法和应用领域，
以使读者在解决实际问题中加以利用。此外，对目前国际上较新的研究方向，如多电平变换
器、新型PWM控制技术等内容，也应给予充分的重视。本书希望在这方面做一些尝试，内容涉及现代电力电子技术的一些基础知识和基本分析方法，并将结合我国实际对现代电力电子技术的需要和学科本身的发展规律，重点介绍以下内容：
    1.现代电力电子器件开关特性及对偶性原理。重点介绍IGBT，IGCT等最新场控器件的外特性和应用特点；同时应用对偶性原理求出各器件的对偶。
    2.电力电子电路拓扑研究及综合。在给出开关电路中理想电源的定义及其推论的基础上，进一步应用对偶原理求出电力电子电路的几种基本拓扑单元，并从中推出各种常用电路，如Buck，Boost，BuckBoost，Cuk，Zeta，Sepic，交直交及矩阵式变换器等。最后给出在已知电源和负载特性的条件下，如何综合出最佳电力电子线路的系统方法。
    3.电力电子电路换流原理及分析方法。首先从各种电力电子电路中抽出基本换流单元，并根据晶闸管及其对偶器件引出软换流的概念。在分析各种强迫换流电路中引入相平面法，使其分析和计算大大简化。
    4.谐振式变换器及软开关技术。从高频电力电子变换器和PWM变换器的限制引出谐振开关技术，重点介绍零电流和零电压准谐振电路及推广应用，采用的分析方法仍是相平面法。最后给出零电压和零电流过渡软开关技术的概念和应用电路。
    5.高性能交流电机控制系统——电力电子在传动中的应用。介绍高性能交流电机控制系统的基本构成及对电力电子技术的要求；重点介绍各种PWM控制方法的原理及特点。最后提到异步电机控制和系统的原理和构成。
    6.多电平变换器。作为一种适用于高压、大功率变换的电力电子电路结构，它的出现为电力电子拓扑的发展开辟了一条新思路。至今已形成了几类多电平变换器结构：一类是箝位型变换器拓扑；第二类为级联型结构。
    7.无功补偿、有源滤波及PFC技术。首先介绍无功功率的产生、危害及其补偿办法，重点是动态无功补偿技术；其次分析低谐波电力电子装置即PFC的应用技术；最后给出谐波治理的基本方法，如并联式、串联式及混合式有源滤波器的基本特性和系统构成。
    在本书的选题立项和出版过程中，得到了电子工业出版社陈晓莉编审的热情鼓励和大力支持，作者在这里深表感谢。我还要感谢我的老师——法国图卢兹国家理工学院电工与电力电子实验室（LEEI：Laboratoire d’Electrotechnique et Electronique Industrielle）前主
任H. Foch教授，是他的精彩授课方式，使作者在20世纪80年代初对原先颇为头痛的半导体变流技术产生了浓厚的兴趣，他的研究小组目前在T. Meynard教授的带领下，在多电平变换器领域的开创性工作以及每次见面时的讨论，均使作者感觉受益匪浅。此外，作者在美国弗吉尼亚理工学院访问工作期间得到了电力电子系统中心（CPES：Center for Power Electronics Systems）主任李泽元（Fred C. Lee）教授的热情帮助和鼓励，该中心还包括著名的威斯康星大学电机及其控制研究中心和北卡罗莱纳州立大学电力电子器件研究中心, 不仅代表美国大学电力电子领域研究的最高水平,在世界范围内也是屈指可数的。
    在本书的写作过程中，本人的博士生和研究生也参与完成了部分章节的整理和编辑工作。他们是苑国锋、曹冬宇、高跃、郑泽东、饶建业、缪学进等同学；此外，孙毅、张猛、王琛琛、郑艳文、孟杰、顾春阳等同学也参与了一些章节的整理工作。本书初稿和最后的成稿由李永东完成。最后，我还要感谢我的父母和妻子，是他们给了我无条件的支持。
    由于作者学识所限和时间的紧迫，在现代电力电子技术领域一定还有很多内容没有得到反映，恳请读者谅解。书中内容也难免有不当和错误之处，敬请有关专家和各位读者给予批评和指正。
   李永东
2011年8月  于清华大学

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现代电力电子学——原理及应用