三相桥式全控整流电路的计算机仿真

《电力电子电路的计算机仿真》

综合训练报告

班级

姓名 学号 专业

指导教师 陈伟

2011年 12 月 26 日

《电力电子系统的计算机仿真》综合训练说明书

目录

任务书 .............................................................................................................................................. 3 摘要 .................................................................................................................................................. 4 1概述 ............................................................................................................................................... 5

1.1研究背景 ............................................................................................................................ 5 1.2 方案论证 ........................................................................................................................... 5 2 三相桥式全控整流电路设计 ..................................................................................................... 6

2.1主电路设计 ........................................................................................................................ 6 2.2 对触发脉冲的要求 ........................................................................................................... 6 3

三相桥式整流电路工作原理 ................................................................................................... 7 3.1 工作原理 ........................................................................................................................... 7 3.2 带阻感性负载时的工作情况 ........................................................................................... 8 3.3 三相整流电路输出电压定量分析 .................................................................................. 11 4 仿真模块建立及各模块参数设置 ........................................................................................... 12

4.1 仿真软件MATLAB的简介 ............................................................................................... 12 4.2 带阻感性负载的三相桥式整流电路仿真 ..................................................................... 14 4.3 各模块参数设置 .............................................................................................................. 14 5 仿真结果分析 ........................................................................................................................... 19

5.1 晶闸管触发角α=0 o时的仿真图（负载电阻R=10?, 电感L=10H） .................. 19 5.2 晶闸管触发角α=30 o时的仿真图（负载电阻不变，改变负载电感） ................. 19 5.3 晶闸管触发角α=45 o时的仿真图(负载电感不变，改变负载电阻值) ................. 20 5.4 晶闸管触发角α=60 o时的仿真图（负载电阻不变，改变负载电感） ................. 20 5.5 晶闸管触发角α=90 o时的仿真图(负载电阻不变，改变负载电感值) ................. 21 6 心得体会 ................................................................................................................................... 23 7 参考文献 ................................................................................................................................... 25

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任务书

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摘 要

三相桥式全控整流电路在现代电力电子技术中具有很重要的作用和很广泛的应用。这里结合全控整流电路理论基础，采用Matlab的仿真工具Simulink对三相桥式全控整流电路的进行仿真，对输出参数进行仿真及验证，进一步了解三相桥式全控整流电路的工作原理。

关键词： simulink 三相桥式全控整流 仿真

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1概述

1.1研究背景

随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路。三相全控整流电路的整流负载容量较大,输出直流电压脉动较小,是目前应用最为广泛的整流电路。它是由半波整流电路发展而来的。由一组共阴极的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的晶闸管串联而成。六个晶闸管分别由按一定规律的脉冲触发导通，来实现对三相交流电的整流，当改变晶闸管的触发角时，相应的输出电压平均值也会改变，从而得到不同的输出。由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab提供的可视化仿真工具Simulink可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、桥故障情况下进行了仿真分析，既进一步加深了三相桥式全控整流电路的理论，同时也为现代电力电子实验教学奠定良好的实验基础。 1.2 方案论证

三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响，文中应用Matlab的可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。采用 Matlab／Simulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab 对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术实验较好辅助

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2 三相桥式全控整流电路设计

2.1主电路设计

三相桥式全控整流电路原理图如图1所示。将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。

图1 三相桥式全控整流电路原理图

2.2 对触发脉冲的要求

三相桥式全控整流电路其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。

宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔 π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。

接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1- VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，如图1所示。

共阴极组VT1，VT3，VT5的脉冲依次相差2π／3，同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和 VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，这样给分析带来了方便。

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3 三相桥式整流电路工作原理

3.1 工作原理

为了搞清楚α变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析α=0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。

为了方便，将一个周期分为6等分，如图3-1。

图3-1 晶闸管导通的6个周期

在第Ⅰ段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管VTI被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管VT6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经VT6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为

Ud=Ua-Ub=Uab

经过60°后进入第Ⅱ段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管VTl继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管VT2，电流即从b相换到c相，VT6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经VTl、负载、VT2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为

Ud=Ua-Uc=Uac

再经过60°，进入第Ⅲ段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管VT3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管VT2因电

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位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为

Ud=Ub-Uc=Ubc

其余的依此类推可得到Uba，Uca，Ucb的电压。于是得到晶闸管的导通情况及输出整流电压的情况如表1所示：

表1 晶闸管的导通情况及输出整流电压

时段 I II III IV V VI 共阴级组中导通的晶闸管 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5 VT1 共阴级组中导通的晶闸管 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 VT6 整流输出电压 ua-ub=uab ua-uc=uac ub-uc=ubc ub-ua=uba uc-ua=uca uc-ub=ucb

3.2 带阻感性负载时的工作情况

整流电路的负载为阻感负载。由于负载端接得有电感且电感L=10H，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势，它的极性是阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，而当电感为无穷大的时候，使得负载电流近似为一条直线。阻感性负载桥式整流电路移相范围是0 o～90 o 。

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（1）触发角α=0o

图3-2 触发角α=0o

（2）触发角α=30o

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图3-3 触发角α=30o

（3）触发角α=60 o

图3-4 触发角α=60 o

（4）触发角α=90o

图3-5 触发角α=90o

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3.3 三相整流电路输出电压定量分析

当整流输出电压连续时（即带阻感负载时）的平均值为

Ud?1??2???36U2sin?td(?t)?2.34U2cos??3??3式中，U2为相电压有效值。

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4 仿真模块建立及各模块参数设置

工业上广泛应用的三相桥式全控整流电路，是由两组三相半波可控整流电路串联而成的，一组为共阳极接线，一组为共阴极接线。其完成的功能是三相交流电源通过三相可控整流桥臂转换成为平均值可以控制改变的直流电源，而平均值的大小改变是通过同步六相脉冲触发器控制三组晶闸管的控制角的大小来实现的。同时电路的输出情况与负载的性能有关。 4.1 仿真软件MATLAB的简介

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。主要有以下特点： （1）友好的工作平台和编程环境

MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。 （2）简单易用的程序语言

Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。

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（3）强大的科学计算机数据处理能力

MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵、特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。 （4）出色的图形处理功能

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，表现了出色的处理能力。 （5）应用广泛的模块集合工具箱

MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 （6）实用的程序接口和发布平台

新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。 （7）应用软件开发

在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等。在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等。在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。

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4.2 带阻感性负载的三相桥式整流电路仿真

启动MATLAB7.0，进入SIMLINK后新建文档。根据晶闸管三相桥式整流电路的结构，在模型窗口建立主电路仿真模型，绘制加入同步装置和脉冲触发器等的三相桥式整流系统模型。双击各模块，在建立的对话框内设置相应的参数。仿真接线图如图4-1所示。

图4-1 仿真接线图

4.3 各模块参数设置 （1）电源模块参数设置

三相电源电压设置为311V（相电压的最大值）,频率为50HZ（工频）。相角相差120 o（Va的初相角设为30 o）。具体模块参数如图4-2所示

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图4-2 电源模块参数设置

（2）同步脉冲触发模块参数设置

同步脉冲触发器模块用于触发三相全控整流桥的6个晶闸管，同步6脉冲触发器可以给双脉冲，双脉冲间隔为60度。触发器输出的1~6好脉冲依次送给三相全控整流桥对应标号的6个晶闸管。由于三相整流桥模块使用SIMPOWERSYSTERMS工具箱中的电力电子库中的通用整流桥臂模块，则同步6脉冲器的输出直接和三相整流桥的脉冲输入端相连。

同步脉冲触发器包括5个输入端和1个输出端，其6脉冲触发器模型 如图4-3所示。

①Alpha_deg:此端子为移相控制角信号的输入端，单位是度。 ② AB、BC、CA：三相电源的三线电压输入，同步线电压就是整流桥的三相交流电压的线电压。

③ BLOCK：触发器控制端，输入为0时，开放触发器；输入大于0时，则锁存触发器。故用于与触发器模块的开通与封锁操作。 ④ PLUSE：6脉冲输出信号。

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如图4-3 同步脉冲触发器模型

同步脉冲触发器参数设置对话框如图所示。可以通过改变脉冲宽度来改变触发角α，从而改变导通角。如图4-4所示

图4-4 脉冲触发模块参数设置

（3） 通用三相整流桥桥臂参数设置

通用变换器桥模块是由6个功率开关元件组成的桥式通用三相变换器模块。功率电子元件的类别和变换器的结构可以通过对话框进行选择。功率电子元件和变换器的类型有diode桥、、mosfet-diode桥、igbt-diode桥、ideal-switch桥，桥的结构有单相、两相、三相。仿真模块的图标、输入和输出如图4-5所示。我们所选用的是thyristor桥。具体的模块参数见图4-6所示。

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图4-5 通用三相整流桥仿真模块的图标

该模块有4个输入端子和2个输出端子，其功能如下：

①A、B、C端子：分别为三相交流电源的相电压输入端子，它取决于所选择变换器桥的结构。当A、B、C被选择为输入端时，则直流DC（+，-）端就是输出。当A、B、C被选择为输出端时，则直流DC（+，-）端就是输入。

②Pulse端子：此端子为触发脉冲输入端子，它可以接受来自外部模块的触发信号。

③+、-端子：分别为整流器的输出和输入端子，在建模时需要构成回路。

图4-6 通用三相整流桥仿真模块参数设置

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(4) 常数模块参数的设置

图4-7 常数模块参数的设置

（5）负载参数的设置

参数设置: R=10欧姆，L=10H, C=inf。

图4-8 负载参数模块参数的设置

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5 仿真结果分析

5.1 晶闸管触发角α=0 o时的仿真图（负载电阻R=10?, 电感L=10H）

5.2 晶闸管触发角α=30 o时的仿真图（负载电阻不变，改变负载电感）

①R=10?, L1=10H

②R=10?, L2=100H

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5.3 晶闸管触发角α=45 o时的仿真图(负载电感不变，改变负载电阻值)

①R1=10?, L=10H

② R2=100?, L=10H

5.4 晶闸管触发角α=60 o时的仿真图（负载电阻不变，改变负载电感）

①R=10?, L1=10H

② R=10?, L2=100H

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5.5 晶闸管触发角α=90 o时的仿真图(负载电阻不变，改变负载电感值)

①R=10?, L1=100H

② R=10?, L2=1000H

5.6 仿真结果分析

（1）观察a = 0°～90°时带阻感性负载的波形，如果假定负载中的电感足够大，负载电流保持连续且基本平直（近似为一条直线），电路已处于稳态。可以看出，各晶闸管的通断情况，Ud波形以及晶闸管所承受的电压波形同电阻负载是一样。二者的区别在于，带阻感性负载时，由于电感的作用，使得负载电流保持连续且基本平直。因此流过变压器二次绕组的电流波形在顶部基本都是平直的这和电阻性负载是不一样。

（2）随着a 的增大，Ud的波形的面积在减小，说明输出电压平均值在减小。当a增大到90°时，Ud的波形的面积为0，说明输出电压平均值Ud也为0。可见在阻感性负载时三相桥式全控整流电路的移相范围0°～90°。

（3）对于阻感性的负载，当触发角小于60°时，整流输出电压波形与纯阻性负载时基本相同，所不同的是，阻感性负载直流侧电流由于有电感的滤波作用而不会发生急剧的变化，输出波形较为平稳。而当触发角大于等于60°小于90°时，由于电感的作用，延长了管子的导通时间，使Ud波形出现负值，而不会出

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现断续，所以直流侧输出电压会减小，但是由于正面积仍然大于负面积，这时直流平均电压仍为正值。当触发角大于90°时，由于id太小，晶闸管无法再导通，输出几乎为0。工作在整流状态，晶闸管所承受的电压主要为反向阻断电压。移相范围为0°～90°。电感能够使电流输出平稳；在没有续流二极管的情况下，晶闸管的导通时间得到延长，而当加入续流二极管后，电流通过二极管续流，二极管续流功率损耗较小，这时输出电流相对来说就较不加续流二极管时要小，而输出电压相对来说却要大些。

（4）负载中的电感足够大时，负载中的电流保持连续且基本平直。 总之，其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组T1，T3，T5的脉冲依次相差2π／3；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=0°时，输出电压Ud一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。在0°～90°之间负载电压、电流都是连续的。和理论的三相桥式整流电路的输出电压、电流波形相符合。

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6 心得体会

通过对电力电子的仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角α和负载特性的影响，在应用Matlab的可视化仿真工具simulink对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详细分析，并采用常规电路分析方法所得到的输出电压波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。

采用 MatlabSimulink对三相桥式全控整流电路进行仿真分析，避免了常规分析方法中繁琐的绘图和计算过程，得到了一种直观、快捷分析整流电路的新方法。应用Matlab／Simulink进行仿真，在仿真过程中可以灵活改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数的变化情况。应用Matlab 对整流电路故障仿真研究时，可以判断出不同桥臂晶闸管发生故障时产生的波形现象，为分析三相桥式整流电路打下较好的基础，它是一种值得进一步应用推广的功能强大的仿真软件，同进也是电力电子技术仿真较好辅助工具。在老师两周的细心指导下，我学到了许多课本上无法学到的技能，同时也锻炼了我的动手能力。对于Matlab／Simulink的应用有了基本的掌握。

对于此次设计我的体会主要有以下几点：

1.对于纯电阻性负载，当触发角小于等于90°时，Ud波形均为正值，直流

电流Id与Ud成正比，并且电阻为10欧姆，所以直流电流波形和直流电压相似。 随着触发角增大，在电压反向后管子即关断，所以晶闸管的正向导通时间减少，对应着输出平均电压逐渐减小，并且当触发角大于60°后Ud波形出现断续。而随着触发角的持续增大，输出电压急剧减小，最后在90°时几乎趋近于0。对于晶闸管来说，在整流工作状态下其所承受的为反向阻断电压。移相范围为0°～90°。

2.对于阻感性的负载，当触发角小于60°时，整流输出电压波形与纯阻性负载时基本相同，所不同的是，阻感性负载直流侧电流由于有电感的滤波作用而不会发生急剧的变化，输出电流波形较为平稳。而当触发角大于等于60°小于90°时，由于电感的作用，延长了管子的导通时间，使Ud波形出现负值，而不会出现断续，所以直流侧输出电压会减小，但是由于正面积仍然大于负面积，这时直流平均电压仍为正值。当触发角大于90°时，由于id太小，晶闸管无法再导通，输出几乎为0。工作在整流状态，晶闸管所承受的电压主要为反向阻断电

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压。移相范围为0°～90°。电感能够使电流输出平稳；在没有续流二极管的情况下，晶闸管的导通时间得到延长，而当加入续流二极管后，电流通过二极管续流，二极管续流功率损耗较小，这时输出电流相对来说就较不加续流二极管时要小，而输出电压相对来说却要大些。

最后，在这两周的综合训练中，我们大家合作的很愉快。深刻体会到了团队的重要性，同时，也谢谢老师的认真指导，才使得这次的综合训练任务圆满完成。

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7 参考文献

1. 王兆安，电力电子技术[M]。北京：机械工业出版社，2009。

2. 邢岩，王莉娜。电力电子技术基础[M]。北京：机械工业出版社，2008.10 3. 王兴贵，陈伟。现代电力电子技术[M]。北京：机械工业出版社，2010。 4. 李传琦，电力电子技术计算机仿真实验[M]。北京：机械工业出版社，2006。 5. 赵永键，电力电子器件及其应用

[M]。北京：机械工业出版社，2000。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6h6g.html