绪论
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，是建立在电子学、 电工原理和 自动控制三大学科上的新兴学科，就是使用电力电子器件（如晶闸
管，GTO，IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电 力”功率可大到数百 MW 甚至 GW，也可以小到数 W 甚至 1W 以下，和以信息处
理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。此技术的应用已深
入到国家经济建设，交通运输，空间技术，国防现代化，医疗，环保和人们日常
生活的各个领域。进入新世纪后电力电子技术的应用更加广泛。以计算机为核心
的信息科学将是 21 世纪起主导作用的科学技术之一，有人预言，电力电子技术 和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来科学的两大支柱。
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子
器件对电能进行变换和控制的技术。通常把电力电子技术分为电力电子制造技术
和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 其中，变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构
成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电路电 子装置和电力电子系统的技术。“变流”不仅指交直流之间的交换，也包括直流
变直流和交流变交流的变换。
将直流电转换为交流电的电路称为逆变电路，本课程设计主要介绍单相桥式
无源逆变电路。
1 逆变器的性能指标与分类
1.1 有源逆变的基本定义及其应用
如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电
反送到电网去。它用于直流电机的可逆调速、绕线型异步电机的串级调速、高压
直流输电和太阳能发电等方面。
1.2 无源逆变电路的基本定义及应用
无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流 电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应
加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。
1.3 逆变器的性能指标
1.3.1 谐波系数 HF
谐波系数 HF 定义为谐波分量有效值同基波分量有致值之比，即
U
HF = n
U1
（1-1纯碱制烧碱）
式中 n=1、2、3…，表示谐波次数，n=1 时为基波。
1.3.2 总谐波系数 THD
总谐波系数表征了一个实际波形同其基波的接近程度。THD 定义为
THD = 1
U 1
∞ 2
∑ U n
n =rbd-508 2,3.4⋅⋅⋅
(1-2)
1.4 无源逆变电路的主要功能及工作原理
主要功能是将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。
基本的单相桥式无源逆变电路的工作原理如图 1 所示，图中 Ud 为直流电压
电源，R 为逆变器输出负载，T1～T1 为四个高速开关。该电路有两种工作状态
（1） 当开关 T1、T4 闭合，T2、T3 断开时，逆变器输出电压u0 =Ud；
（2） 当开关 T1、T4 断开，T2、T3 闭合时，逆变器输出电压u0 =－Ud；
当以频率 f s
交替切换开关 T1、T4 和 T2、T3 时，则在电阻 R 上获得如图
所示的交变电压波形，其周期 Ts=1/ f s
，这样，就将直流电压 E 变成了交流电
压 u0 。 u0 含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。 图 1-1 中主电路开关 T1~T4，它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。
逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管
（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）。
图 1-1 单相桥式无源逆变电路的工作原理
2 主电路的设计
采用全控型器件——绝缘栅晶体管（IGBT）取代上图的 T1 ，得到如下图 2-1 所示的单相桥式无源逆变电路。从图中可看出，它由两对桥臂组合而成，VT1 和 VT4 构成一对导电臂，VT2 和 VT3 构成另一对导电臂，两对导电臂交替导通
，其输出电压、输出负载波形如下所示。工作过程如下：
t=0 时刻以前，VT2、VT3 导通，VT1、VT4 关断，电源电压反向加在负载
上， u0 =-Ud。
在 t=0 时刻，负载电流上升到负的最大值，此时关断 VT2、VT3，同时驱动
VT1 、VT4，由于感性负载电流不能立即改变方向，负载电流经 V水溶液锂电池D1、VD4 续流， 此时，由于 VD1 、VD4 导通，VT1 、VT4 受反压而不能导通。负载电压 u0 =+Ud
图 2-1 单相桥式无源逆变电路
图 2-2 输出电压、输出电流
在 t=t 1 时刻，负载电流下降到 0，VD1、VD4 自然关断，VT1、VT4 在正向
电压作用下开始导通。负载电流正向增大，负载电压u0 =+Ud。
在 t=t 2 时刻负载电流上升到正的最大值，此时关断 VT1、VT4，并驱动 VT2、
VT3，同样，由于负载电流不能立即换向，负载电流经 VD2、VD3 续流，负载
电压 u0 =-Ud。
在 t= t 3 时刻，负载电流下降到 0，VD2、VD3 自然关断，VT2、VT3 开通，
负载电流反向增大时，u0 =-Ud。
在 t= t 4 时刻，负载电流上升到负的最大值，完成一个工作周期。
从图 2-2 知，单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将u0 展开
成傅立叶级数，得
4U ⎛ 1 1 ⎫
sin 3ωt +
sin 5ωt + ⋯⋯⎪
π ⎝ 3 5
⎭ （2-1）
其中，基波分量的幅值 Uolm 和有效值 Uol 分别为：
U = 4U d
≈ 1.27Ud
olm
π 微型轴 （2-2）
U = 2
2U d
≈ 0.9Ud
水塔水位控制
ol π （2-3）
3 驱动电路的设计
3.1 电力电子器件驱动电路概述
电力电子器件的驱动电路时电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力
电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电 路，可组合式桥架使电流电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，
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