电力电子技术原理.控制与应用

使用电力电子技术可以显著提高电能利用效率，并且电力电子技术是目前电气工程领域发展最快的技术。本书讨论了电力电子技术，介绍并解释了电力电子技术中的基本概念和重要理论。本书还提供了在电力电子领域进行分析和设计的基本方法，读者可在本书中了解许多实例，这些实例向我们展示了电力电子技术的发展、应用及其前景，其中包括可再生能源的生产、传输和分配等主要方向。本书作者向所有帮助创作本书的人表示感谢。

尤里罗扎诺夫谢尔盖里夫金叶夫根尼查普利金帕维尔沃罗宁

电力电子技术是目前电气工程领域发展最快的技术，受到了国内外学者的高度关注。从功率半导体器件的快速突破，到逆变器、整流器等变换器高性能控制算法的不断出现，电力电子技术的发展正面临着巨大挑战。目前，电力电子技术广泛应用于无功功率补偿、高压直流输电、可再生能源发电、电机驱动等领域，显著提高了电能质量及供电效率，节省了大量能源。本书详细讲解了电力电子技术的基本变换电路与基本控制方法，注重对电力电子变换电路的原理分析，并对其应用发展进行了具体介绍。本书内容共分为10章。第1章介绍了电力电子技术的基本概念与术语；第2章介绍了功率半导体器件和无源元件；第3章对电力电子装置的数学模型和控制方法进行了介绍；第4章阐述了电网换流变换器的结构和原理；第5章阐述了直流_ 直流变换电路的结构和原理；第6章阐述了基于全控型开关器件的逆变器与交流变换器的结构和原理；第7章对脉冲宽度调制与电能质量控制进行了讲解；第8章介绍了谐振变换器的结构和原理；第9章分析了多电平、模块化和多单元变换器拓扑；第10章对电力电子技术的典型工业应用进行了具体介绍。本书的分工如下：周京华翻译了第1~5章；陈亚爱翻译了第6、7章；章小卫翻译了第8、9章；张贵辰翻译了第10章。全书最终的统稿工作由周京华完成。本书的翻译工作得到了国家自然科学基金面上项目（51777002）、北京市高水平创新团队建设计划资助项目（IDHT20180502）的支持。同时，向为本书出版而付出大量辛勤劳动的责任编辑江婧婧等编辑表示诚挚的感谢。由于译者能力有限，书中难免存在翻译不准确的地方，有些内容未能准确表达原书作者的写作思想，恳请广大读者提出宝贵意见并给予批评指正。

译者2026年5月

自2000年前后起，机械工业出版社便锚定国外电气工程与信息工程领域，致力于先进技术著作的引进、翻译及出版工作。通过组织国内权威学者团队进行系统性选题论证，组建专业译者团队严格把控译著质量，成功打造;国际电气工程先进技术译丛;国际信息工程先进技术译丛等标杆性学术工程，累计服务逾百万专业读者群体。时光荏苒，二十余载转瞬即逝，不少早期出版的产品已超出了版权授权期限。近些年，我们陆续接收到来自读者的反馈，留意到读者对于这些经典内容的阅读需求无法满足。为回馈读者，我们再度启程，精心筛选，重新与外方取得授权，如今，精装本;电气与电子工程经典译丛荣耀登场。本译丛汇聚该领域基础理论的扛鼎之作，收纳那些历经岁月淘洗、魅力丝毫不减的经典杰作，期望为我国科学研究注入灵感源泉，为生产实践提供实用指南。除精心甄选经典译本，我们也时刻关注行业动态，积极引入电气工程前沿技术相关的全新品种，持续为这套丛书注入新鲜血液。

本书全面阐述了电力电子基本变换电路、控制原理及具体的工业应用，包括电力电子技术的基本概念与术语、功率半导体器件和无源元件、电力电子装置控制、电力电子基本变换电路，以及电力电子技术应用等。本书不仅向读者展示了许多有关电力电子技术的控制实例，还向读者介绍了电力电子技术的最新应用与发展前景，使读者能够较为全面地掌握有关电力电子技术的基础知识，为电力电子变换器的控制、分析与设计提供了基本方法。本书适合作为高年级本科生及研究生的教学参考书，也适合于从事电力电子技术研究与应用的工程师和科研人员阅读。

尤里罗扎诺夫(Yuriy Rozanov)1962年毕业于莫斯科动力学院(MPEI)并获得机电工程学士学位。毕业后，他在电气行业的;探照灯（Searchlight）工厂工作，担任从工程师到副首席设计师的多种职务。1969年获得博士学位。1987年获得技术科学博士学位。1989年加入MPEI并担任电气与电子仪器系的系主任，现在他是一名教授。他著有7本书、160多篇文章，并且拥有24项专利。在他的指导下，许多学生获得了硕士学位。由于在教育和科技领域的突出贡献，他被俄罗斯联邦政府授予杰出科学家荣誉称号。他是科学领域(2001年)和教育领域(2005年)的俄罗斯联邦政府奖获得者。他是IEEE(美国电气与电子工程师协会)俄罗斯分会PEL/PES/IES/IAS联合分会主席，2012年被授予会士称号。从2010年起担任《俄罗斯电气工程》期刊主编。他的研究领域是电力电子技术及其应用。谢尔盖里夫金(Sergey Ryvkin)作为工程师毕业于莫斯科航空工程学院(技术大学)，获得莫斯科控制科学研究所(苏联科学院)博士学位及俄罗斯教育与科学部*高认证委员会的科学博士学位。目前他是莫斯科动力学院教授及俄罗斯科学院Trapeznikov控制科学研究所主要研究人员。他的研究方向包括应用滑模技术的电气传动系统和电力系统及其参数的观测。里夫金教授拥有6项专利，出版了2部专著、5本教材，并在国际期刊和会议中发表了130多篇技术方面的论文。他是IEEE的高级会员，俄罗斯电工科学院的正式会员，电力电子和运动控制委员会(PEMC_C)的正式会员，是俄罗斯电气工程杂志Electrotechika(英文版Russian Electrical Engineering)的副主编，也是International Journal of Renewable Energy Research和Transactions on Electrical Engineering以及International Journal of Advances in Telecommunications Electrotechnics,Signals and Systems(IJATES2)和俄罗斯著名电气工程杂志Elektrichestvo的编辑委员会成员。叶夫根尼查普利金(Evgeny Chaplygin)1965年毕业于莫斯科动力学院无线电技术系。1974年获得电力电子专业博士学位。自1966年以来，他一直在莫斯科动力学院工业电子系任教，1980年开始担任副教授，2011年开始担任教授。他指导了11名学生攻读硕士学位。他出版了两本书，一本名为Industrial Electronics的教材，发表了100多篇论文并拥有70项专利。他是MPEI无线电电子系学术委员会成员，Russian Electrical Engineering杂志编委会成员。他的研究领域包括电力电子设备建模、改进的EMC变换器和电源，以及通过电力电子技术提高电能质量。帕维尔沃罗宁(Pavel Voronin) 1980年于莫斯科动力学院获得电气工程专业的学位证书，1983年在该学院获得电力电子专业博士学位。他从1983年到1985年年间在MPEI工作，然后调到工业电子系担任助理，从1988年起担任助理教授。他在电力电子领域发表了70多篇论文，出版了2本专著，拥有31项专利。他的研究领域包括功率变换器、多电平逆变器、软开关电路和电力电子设备的计算机仿真。

出版说明译者序原书前言作者简介第1章电力电子技术的基本概念与术语1.1电能变换：变换器的分类 ?0011.2变换器的输出参数和特性 ?0041.3变换器对电网的影响 ?0061.4变换器基本参数 ?0091.5交流和直流滤波器 ?0101.5.1滤波器中的动态过程 ?013参考文献 ?013第2章功率半导体器件和无源元件2.1简介 ?0142.2功率二极管 ?0142.2.1p十_n__n十结构的功率二极管 ?0142.2.2肖特基功率二极管 ?0162.2.3脉冲二极管 ?0162.3双极型功率晶体管 ?0182.4晶闸管 ?0212.4.1带p_n_p_n结构的可控半导体开关 ?0212.4.2功率光控晶闸管 ?0242.4.3对称晶闸管 ?0252.5开关晶闸管 ?0262.5.1GTO晶闸管 ?0262.5.2门极换流晶闸管（GCT、ETO晶闸管、MTO晶闸管） ?0282.5.3集成GCT ?0292.5.4MOS控制晶闸管 ?0292.6场效应晶体管 ?0302.6.1大功率短沟道MOS晶体管 ?0302.6.2Cool MOS技术 ?0332.6.3静电感应晶体管 ?0352.7IGBT ?0372.7.1外延（PT）和均质（NPT）IGBT结构 ?0402.7.2沟槽栅IGBT ?0412.7.3沟槽_FS和SPT ?0422.7.4CSTBT和SPT十 ?0432.8开关模块 ?0442.8.1集成功率模块拓扑结构 ?0442.8.2功率模块装配 ?0472.8.3将模块连接到功率电路 ?0482.9电源组件 ?0482.9.1集成功率模块 ?0482.9.2智能功率模块 ?0482.9.3带直流元件和冷却系统的功率模块基本拓扑结构（1/2B2、B2、B6） ?0492.9.4B6U十B6I拓扑结构的功率模块：逆变器平台 ?0492.9.5双极型功率模块 ?0492.10功率开关的应用 ?0492.11半导体功率设备的冷却系统 ?0502.11.1风冷散热器 ?0512.11.2液体冷却散热器 ?0522.12电力电子的发展前景 ?0522.12.1以碳化硅为基础的功率开关 ?0522.12.2高度集成功率模块 ?0542.13半导体功率开关的控制 ?0542.14无源元件 ?0572.14.1简介 ?0572.14.2电磁元件 ?0572.14.3电容器：基本定义和特性 ?064参考文献 ?069第3章电力电子装置控制3.1数学模型 ?0703.1.1一维及多维模型 ?0703.1.2线性和非线性系统线性化 ?0703.1.3微分方程和矩阵方程开关函数 ?0743.1.4三相电路的二维数学描述 ?0783.1.5拉普拉斯变换和传递函数 ?0803.1.6脉冲调制 ?0833.1.7差分方程 ?0843.1.8离散拉普拉斯变换（Z变换） ?0853.2电力电子装置的电气过程分析 ?0863.2.1微分方程的解析解 ?0863.2.2拟合方法 ?0883.2.3相轨迹和点变换方法 ?0883.2.4主成分分析法 ?0893.2.5稳定性 ?0913.3控制方法 ?0923.3.1控制问题和原理 ?0923.3.2控制系统的结构 ?0933.3.3线性控制方法 ?0953.3.4继电器特性控制 ?0973.3.5滑动模式控制 ?0993.3.6数字控制 ?1023.3.7预测控制 ?1033.3.8电力电子的人工智能控制 ?104附录3A牛顿的二项式公式 ?112附录3B微分方程的解 ?113参考文献 ?115第4章电网换流变换器4.1简介 ?1164.2整流器 ?1174.2.1整流电路基本工作原理 ?1174.2.2基本整流电路 ?1194.2.3整流器特性 ?1354.3并网逆变器 ?1404.3.1工作原理 ?1404.3.2在逆变模式下运行的基本电路 ?1454.3.3逆变器的有功功率、无功功率和视在功率 ?1484.3.4逆变器的特性 ?1504.4直接频率变换器（周波变换器） ?1514.4.1基于晶闸管的交流_交流变换器 ?1514.4.2减小输出电压的谐波 ?1534.5基于晶闸管的交流调压器 ?1564.5.1单相交流调压器 ?1564.5.2三相交流调压器 ?159参考文献 ?162第5章直流_直流变换电路5.1简介：连续稳定器 ?1635.2基本直流调压器 ?1645.2.1降压直流_直流变换器 ?1645.2.2升压直流_直流变换器 ?1665.2.3反向调节器 ?1685.2.4C＇uk变换器 ?1695.2.5电压倍增调节器 ?1705.3输入输出变压器解耦的直流调压器 ?1715.3.1反激式变换器 ?1725.3.2正激式变换器 ?1735.3.3推挽式变换器 ?1745.4多象限直流变换器 ?1765.4.1两象限变换器 ?1765.4.2四象限变换器 ?1775.5向负载供电的晶闸管_电容调节器 ?178参考文献 ?179第6章基于全控型开关器件的逆变器与交流变换器6.1电压型逆变器 ?1816.1.1单相电压型逆变器 ?1816.1.2单相电压型逆变器的脉冲宽度控制 ?1876.1.3三相电压型逆变器 ?1906.1.4非对称负载下的三相电压型逆变器 ?1946.2电流型逆变器 ?1966.2.1晶体管电流型逆变器 ?1966.2.2电流型逆变器的脉宽控制 ?2006.2.3基于晶闸管的电流型逆变器 ?2016.3交流变换器 ?2046.3.1不含变压器的交流变换器 ?2046.3.2升压交流电压变换器 ?2056.3.3间接交流电压变换器 ?2076.4变频器 ?2086.4.1带有直流环节的变频器 ?2086.4.2直接变频器 ?208参考文献 ?210第7章脉冲宽度调制（PWM）与电能质量控制7.1PWM基本原理 ?2117.1.1随机过程脉冲调制 ?2137.2逆变器中的PWM技术 ?2147.2.1电压型逆变器 ?2147.2.2电流型逆变器 ?2207.2.3空间矢量调制 ?2247.3基于PWM变换器的电能质量控制 ?2287.3.1PWM变换器功能 ?2287.3.2交流_直流PWM变换器工作方式 ?2287.3.3有源电力滤波器 ?2337.3.4混合滤波器 ?2397.3.5三相系统中的电流平衡 ?2437.4PWM交流_直流变换器基本控制系统 ?244参考文献 ?250第8章谐振变换器8.1简介 ?2518.2谐振电路中带负载的变换器 ?2528.2.1带串联负载的变换器 ?2528.2.2带并联负载的变换器 ?2588.2.3串联_并联谐振逆变器 ?2618.2.4E类变换器 ?2628.3准谐振变换器 ?2658.3.1准谐振开关基本电路 ?2658.3.2准谐振直流_直流变换器 ?2678.3.3带有开关电压限制的ZVS变换器 ?2718.3.4具有输入谐振电路的ZVS逆变器 ?274参考文献 ?277第9章多电平、模块化和多单元变换器拓扑9.1简介 ?2789.2整流器与直流_直流变换器并联 ?2799.3逆变器并联 ?2829.4基于电容_二极管单元的倍压器和分压器 ?2869.4.1倍压器 ?2869.4.2分压器 ?2879.5多电平变换器结构 ?2889.5.1二极管钳位电路 ?2889.5.2飞跨电容型逆变器 ?2909.5.3级联型多电平变换器 ?290参考文献 ?292第10章电力电子技术应用10.1提高供电效率 ?29310.1.1电力传输和电能质量的控制 ?29310.1.2电力电子技术在可再生能源和储能设备中的应用 ?29810.2电力驱动装置 ?30110.2.1直流电机的控制 ?30110.2.2感应电动机的控制 ?30210.2.3同步电机的控制 ?30410.3工程应用 ?30810.3.1照明设备 ?30810.3.2电工技术 ?30910.3.3电力运输 ?31110.3.4技术要求 ?316参考文献 ?320