軌道車輛電力電子技術（簡體書）

本書主要針對非電類專業的機車車輛專業的本科生，介紹電力電子技術在軌道車輛上的應用。主要內容包括：電力電子器件、電力電子的整流、直流斬波、PWM逆變、PWM脈衝整流、軟開關技術的基本原理，並結合具體車型實例，介紹軌道車輛上的牽引變流器、輔助變流器、充電機等電力電子裝置的工作原理，故障分析等。還介紹了電磁相容性（EMC）的基本概念及其在軌道車輛的應用等。此外還介紹了電力電子的建模與模擬的基本概念和具體方法，可以作為學生的參考資料，為日後學生更深入的學習電力電子技術打下基礎。

電力電子技術（Power Electronics）是以電力為對象的電子技術，是一門利用電力電子器件對電能進行轉換與控制的新興學科，是電氣工程中電力、電子和控制三大主要領域之間的邊緣學科。主要內容包括電力電子器件（Power Electronic. Device）、電力電子（功率）變流技術（Power Conversion'technique）（包括改變電壓、電流、頻率及變換相數等）和控制技術。電力電子技術與微電子技術、材料科學、電機工程、自動控制技術等相輔相成、快速發展，成為電氣工程領域最為活躍的一個分支。在太陽能、風能等清潔能源發電，直流輸電，軌道車輛，船舶推進，電機節能應用，交直流供電電源，弧焊電源、電鍍及電加工，中頻感應加熱，機器人控制等領域，乃至社會日常生活等諸多方面有應用。電力電子學是電氣工程學科的基礎平台課程，是電力電子裝置、軌道車輛牽引傳動系統、軌道車輛裝備、開關電源、自動控制、變頻調速等課程的先行課程。
“軌道車輛電力電子技術”是軌道車輛系列課程中的先行基礎課程，是為更好地理解“軌道車輛供電牽引系統與設備”、“軌道車輛輔助電氣系統與設備”等軌道車輛後續課程打下一定的基礎。本書也是《軌道車輛供電牽引系統與設備》、《軌道車輛輔助電氣系統與設備》等教材的配套教材。隨著動車組的引進和國產化，以及軌道車輛中電力電子裝置所佔比重的大幅提高，對其內部結構及關鍵技術的消化、吸收和再創新的需求也日益迫切。本書旨在對軌道車輛中常見的電路結構進行基礎性和原理性的講解，有利於電力電子技術在軌道車輛上的普及和推廣。
本書學時為32～48，介紹一些常用的電力電子知識，包括電力電子器件、相控式整流技術、直直變換技術、逆變技術、PWM脈衝整流器以及這些技術在軌道車輛上的應用。主要內容包括：
第1章電力電子元器件
本章主要介紹電力電子器件的基本概念、半導體物理基礎、電力二極管、晶閘管（SCR）、門極可關斷晶閘管（GTo）、電力場效應晶體管（電力MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） 、智能功率模塊（IPM）以及電力電子中常用的電阻、電感、電容元件和電力電子的一些基本名詞和概念。本章應重點掌握IGBT及其在軌道車輛上的應用。各種電力電子器件的特性曲線是學生最費解的，也是最不願意學的，但對於電力電子裝置的維修工作卻至關重要，因此本章增加了一些半導體的基礎知識，並且要求學生初步學會從半導體器件的內部結構和基本原理去理解一些典型器件的特性曲線，提高學習興趣。由於電感、電容元件在電力電子中經常使用，與電力電子器件特性曲線也緊密相連，如密勒效應、位移電流等，因此增加了該小節。
第2章相控整流技術
相控整流是各種電能變換電路的基礎，其實內容最簡單，學生卻往往認為內容最多、最難。本章主要介紹相控整流技術的基本概念、單相不可控整流電路、單相半波整流電路、單相橋式全控整流電路、單相橋式半控整流電路、三相半控整流電路和三相橋式整流電路、變壓器漏感的影響及相控有源逆變的條件等。本章的重點是波形分析，然後才是電量計算和電路性能的評價。難點是負載的不同導致輸出波形的變化，特別是RL負載。本章還增加了整流電路的觸發電路和同步問題的講解，與學生的電力電子實驗和實驗台相對應。此外，還介紹了軌道車輛電力電子裝置經常出現的倍流整流電路等。另外，討論了相控整流的諧波及功率因數，便於與後面軌道車輛的脈衝整流產生的諧波相聯繫和對比。由於篇幅所限，對於整流電路的保護及元件選擇計算等工程設計內容未寫入本章。
第3章直直變換技術
本章主要介紹電力電子技術中直流斬波電路的工作原理，基本斬波電路（降壓、升壓、升降壓變換）、多像限直流變換器、多相多重直直變換器、帶隔離變壓器的直直變換器、斬波電路的控制方式以及直直變換器在軌道車輛上的應用。其中基本直直變換器是基礎，尤其要掌握電路的工作原理和電感的伏秒特性等基本原理和推導方法。

目錄
前言
第1章電力電子元器件1
1.1基本概念1
1.2半導體物理基礎6
1.2.1導體、半導體、絕緣體6
1.2.2本徵半導體、P型半導體、N型半導體7
1.2.3 PN結原理8
1.3電力二極管14
1.3.1電力二極管的基本特性15
1.3.2二極管在軌道車輛上的豐要應用17
1.4晶閘管19
1.4.1晶閘管的結構與工作原理19
1.4.2晶閘管的基本特性22
1.4.3晶閘管的驅動27
1.5門極可關斷晶閘管28
1.6電力場效應晶體管32
1.6.1電力場效應管(電力MOSFET)的結構與工作原理32
1.6.2電力MOSFET的特性與參數34
1.6.3電力MOSFET使用中的保護措施39
1.7絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 40
1.7.1 IGBT的工作原理與特性40
1.7.2 IGBT的門極驅動49
1.7.3 IGBT的使用與維護56
1.8智能功率模塊71
1.9電阻元件、電感元件與電容元件73
1.9.1電阻73
1.9.2電感74
1.9.3電容77
思考題83
第2章相控整流技術86
2.1概述86
2.1.1整流電路的分類86
2.1.2整流電路的些基本概念86
2.1.3可控整流電路的般結構和特點87
2.1.4整流電路的通用分析方法88
2.2單相整流電路89
2.2.1單相半波不可控整流電路89
2.2.2單相半波可控整流電路90
2.2.3單相橋式全控整流電路91
2.2.4單相橋式半控整流電路96
2.2.5單相傘波整流電路99
2.3三相整流電路99
2.3.1三相半波可控整流電路99
2.3.2三相橋式全控整流電路102
2.4相控整流的濾波104
2.4.1電容C濾波電路104
2.4.2電感L濾波電路104
2.4.3 LC濾波電路105
2.5整流變壓器漏感的影響105
2.5.1換相過程與換相重疊角105
2.5 .2換相壓降的計算106
2.5.3換相重疊角的計算106
2.6相控整流及有源逆變原理108
2.6.1整流和有源逆變的基本原理108
2.6.2晶閘管相控整流電路實現有源逆變的基本原理108
2.6.3相控整流電路實現有源逆變（晶閘管直流電動機系統） 110
2.6.4相控整流電路實現有源逆交的條件111
2.6.5相控有源逆變的些概念112
2.6.6交直交變頻器中的相控有源逆變112
2.7相控整流的觸發電路113
2.7.1單結晶體管觸發電路114
2.7.2正弦波觸發電路116
2.7.3鋸齒波觸發電路117
2.7.4觸發電路的同步問題119
2.8其他整流電路120
2.8.1倍壓整流電路120
2.8.2倍流整流電路121
2.8.3同步整流電路122
2.9相控整流電路的諧波及功率因數分析123
2.9.1諧波及無功功率的危害123
2.9.2相控整流諧波分析基礎123
2.9.3相控整流功率因數分析124
思考題126
第3章直直變換技術129
3.1直流斬波電路的工作原理130
3.1 .1電感的伏秒平衡原理130
3.1.2電容的安秒平衡原理132
3.2基本斬波電路l33
3.2.1降壓變換器133
3.2.2升壓變換器139
3.2.3升降壓變換器l45
3.2.4 Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路151
3.3多像限直直變換器155
3.3.1橋臂式二象限直直變換器(A型變換器) l55
3.3.2混合橋式二象限直直變換器(B型變換器) 157
3.3.3四象限直直變換器(H型變換器) 158
3.4多相多重直直變換器l58
3.5帶隔離變壓器的直直變換器161
3.5 .1隔離變壓器161
3.5.2各種帶隔離變壓器的直直變換器l64
3.6斬波電路的控制方式173
3.7軌道車輛的直流斬波器174
思考題176
第4章逆變技術l78
4.1無源逆變原理178
4.1.1逆變的基本概念l78
4.1.2逆變器的組成與分類178
4.1.3單相電壓型逆變電路180
4.1.4單相電流型逆變電路l82
4.1.5三相橋式逆變電路183
4.2脈衝寬度調製的理論基礎186
4.3正弦脈衝寬度調製l87
4.3.1 SPWM的基本原理187
4.3.2 SPWM調製的控制脈衝產生方法192
4.3.3 SPWM的調製方法l94
4.3.4三相SPWM逆變工作原理196
4.3.5 SPWM對脈寬調製的製約條件197
4.3.6異步調製、同步調製及分段同步調製200
4.4特定諧波消去法PWM控制203
4.5電流滯環跟踪PWM控制204
4.6電壓空間矢量PWM控制206
4.6.1電動機電壓空間欠量的表示207
4.6 .2電動機電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關係208
4.6.3兩點式電機逆變器的SVPWM 209
4.7逆變器的多重化214
4.8兩電平逆變器和三電平逆變器216
4.9軌道車輛的電機逆變器220
4.9.1電機逆變器的結構組成及技術參數220
4.9.2電機逆變器的傳感及監控功能229
思考題235
第5章PWM脈衝整流器237
5.1脈衝整流器的基本原理及分類237
5.1.1交直交系統的相控式與斬控式整流及有源逆變方案237
5.1.2 PWM脈衝整流器的工作原理及分類238
5.2電壓型PWM脈衝整流器242
5.2.1單相電壓型PWM脈衝整流器的主電路結構及工作原理242
5.2.2主要方程式及相量圖243
5.2.3工作模式及能量關係246
5.2.4三相電壓型脈衝整流器主電路結構及工作原理249
5.2.5脈衝整流器的升壓模式249
5.2.6單相脈衝整流器的控制250
5.3單相兩電平與三電平脈衝整流器254
5.3.1單相兩電平PWM脈衝整流器254
5.3.2單相三電平PWM脈衝整流器255
5.4軌道車輛的脈衝整流器258
思考題275
第6章軟開關技術277
6.1軟開關的基本原理277
6.1.1硬開關存在的問題277
6.1.2軟開關的基本概念278
6.1.3軟開關的基本實現環節278
6.1.4軟開關的分類280
6.1.5電感L和電容C的諧振工作原理283
6.2軌道車輛中常見的軟開關的工作原理286
6.2.1零電壓開關PWM變換器(ZVSPWM) 286
6.2.2零電流開關PWM變換器(ZCSPWM) 293
思考題296
第7章軌道車輛主電路297
7.1軌道車輛主電路的基本結構297
7.1.1主電路的基本結構297
7.1.2牽引變流器的基本組成298
7.2動車組的主電路300
7.2.1 CRH1動車組主電路300
7.2.2 CRH2動車組主電路303
7.2.3 CRH3動車組主電路310
7.2.4 CRH5動車組主電路314
7.2.5 CRH380系列動車組介紹322
7.3 HXDi、HXD7、HXD3電力機車的主電路323
7.3.1 HXDi電力機車主電路323
7.3.2 HXD2電力機車主電路324
7.3.3 HXD3電力機車豐電路326
7.4軌道車輛主電路的些共性問題328
7.4 .1直流環節的共用與獨立使用問題328
7.4.2直流環節保護電路329
7.4.3多重化、載波移相及諧波抑制問題330
7.4.4軌道車輛的接地故障檢測問題335
7.4.5電磁兼容性及接地問題339
思考題348
參考文獻350