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1、第第2章章电力电子器件电力电子器件2.1电力电子器件概述电力电子器件概述2.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4典型全控型器件典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件v电力电子器件的概电力电子器件的概念、特点和分类等念、特点和分类等问题。问题。v各种常用电力电子各种常用电力电子器件的工作原理、器件的工作原理、基本特性、主要参基本特性、主要参数以及选择和使用数以及选择和使用中应注意的一些问中应注意的一些问题。题。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2
2、.1.2应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类2.1电力电子器件的概述电力电子器件的概述电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子器件（电力电子器件（powerelectronicdevice）可直可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。制的电子器件。主电路（主电路（mainpowercircuit）电气设备或电力电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2.1.1电力电子器件的概念和特征
3、电力电子器件的概念和特征1、概念：、概念：电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2、同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：般特征：能处理电功率的大小，即能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力承受电压和电流的能力，是最重要，是最重要的参数。的参数。电力电子器件一般都工作在电力电子器件一般都工作在开关状态开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制信息电子电路来控制。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件电电力力电电子子器器件件主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗
4、： 导通时器件上有一定的通态压降导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开关损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗产生的损耗电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。子器件为核心的主电路组成。2.1.2应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成控控制
5、制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：以下三类：2.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件不可控器件电力二极管（电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中
6、承受的电压和电流决只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。又称自关断器件。晶闸管晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不不能能用用控控制制信信号号来来控控制制其其通通断断,因因此此也也就就不不需需要要驱驱动电路。动电路。1)半控型器件半控型器
7、件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：性质，分为两类：2)电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制导通或者关断的控制1)电流驱动型电流驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制电压信号就可实现导通或者关断的控制按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：况分为三类：2)双极型器件双极
8、型器件3)复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件 1) 1) 单极型器件单极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件的器件 电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.2.3电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用2.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件1.正向平均电流正向平均电流IF(AV)额定电流
9、额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。2.2.3电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.正向压降正向压降UF指指电电力力二二极极管管在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的的稳稳态态正正向向电电流时对应的正向压降。流时对应的正向压降。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压4.
10、浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。的过电流。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件1.普通二极管（普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不以上，这在开关频率不高时并不重要。高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数正向电流定额和
11、反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。千安和数千伏以上。2.2.4电力二极管的主要类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用v分类：分类：电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.快恢复二极管（快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 5 s s以下）的二极管，以下）的二极管，也简称快速二极管也简称快速二极管. .电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件3.肖特基二极管肖特基二极管反向恢复时间很短（
12、反向恢复时间很短（1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在在反反向向耐耐压压较较低低的的情情况况下下其其正正向向压压降降也也很很小小，明明显显低低于于快快恢恢复复二极管二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件v二极管的典型应用二极管的典型应用电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.3半控器件半控器件晶闸管晶闸管2.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管
13、的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件晶晶 闸闸 管管 （ Thyristor） ： 晶晶 体体 闸闸 流流 管管 ， 可可 控控 硅硅 整整 流流 器器（SiliconControlledRectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管发明了晶闸管;1957年年美美国国通通用用电电气气公公司司（GE）开开发发出出第第一一只只晶晶闸闸管管产产品品;1958年商业化年商业化;开辟了电力电子
14、技术迅速发展和广泛应用的崭新时代开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代;20世纪世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代;能能承承受受的的电电压压和和电电流流容容量量最最高高，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的的场合具有重要地位场合具有重要地位.电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形外形b)结构结构c)电气图形符号电气图形符号l 结构结构电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件l
15、工作原理工作原理分析分析!结结论论：触触而而导导通通，通通而不断，断则反压。而不断，断则反压。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件其他几种可能导通的情况：其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升阳极电压上升率率du/dt过高过高结温较高结温较高光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段靠的控制手段电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.3.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.静
16、态特性（伏安特性）静态特性（伏安特性）电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.动态特性动态特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形延迟时间延迟时间上升时间上升时间反向阻断反向阻断恢复时间恢复时间正向阻断正向阻断恢复时间恢复时间开通时间：开通时间：tgt=td+tr关断时间：关断时间：tq=trr+tgr电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件1.电压定额电压定额2.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定
17、裕量选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压晶闸管所承受峰值电压23倍。倍。1)断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM正向折转电压的正向折转电压的80%2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM反向折转电压的反向折转电压的80%3)通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM额定电流管压降峰值额定电流管压降峰值电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则温有关。结温越高，则IH越小。
18、越小。4)浪涌电流浪涌电流ITSM3)擎住电流擎住电流IL(=2-4IH)2)维持电流维持电流IH注意：使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则注意：使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。倍。1)通态平均电流通态平均电流IT(AV)2.电流定额电流定额电流的有效值是从电流的热效应来考虑的，电流的有效值是从电流的热效应来考虑的， 是电流的平方在时间积累是电流的平方在时间积累效应上的平均效果效应上的平均效果电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件指在额定结温和门极开路的情况下，不导
19、致晶闸管从指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。断态到通态转换的外加电压最大上升率。指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏管损坏。(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相在阻断的晶闸管两端施加的电压
20、具有正向的上升率时，相当于一个电容的当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。(1)断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：3.动态参数动态参数电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.3.4晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件包包括括所所有有专专为为快快
21、速速应应用用而而设设计计的的晶晶闸闸管管，有有快快速速晶晶闸闸管管和和高频晶闸管。高频晶闸管。管管芯芯结结构构和和制制造造工工艺艺进进行行了了改改进进，开开关关时时间间以以及及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。普普通通晶晶闸闸管管关关断断时时间间数数百百微微秒秒，快快速速晶晶闸闸管管数数十十微微秒秒，高高频晶闸管频晶闸管10 s左右。左右。1.快速晶闸管快速晶闸管（FST)电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.双向晶闸管（双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC）l与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交与一对反并联晶闸管相
22、比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用和交流电机调速等领域应用较多。较多。l通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。额定电流值。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件3. 逆逆 导导 晶晶 闸闸 管管 （ Reverse Conducting ThyristorRCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高
23、等优点。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。管的电流。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件4.光控晶闸管（光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位，高
24、压核聚变装置中，占据重要的地位，利用利用8KV/3.5KA光控晶光控晶闸管构成的闸管构成的300MV.A容量的电力电子装置是目前最大容量的电力电子装置是目前最大的电力电的电力电子装置。子装置。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件思考：思考：1下图为一晶闸管调试电路，以检测晶闸管工作后输出下图为一晶闸管调试电路，以检测晶闸管工作后输出电压是否正确，调试中发现电压是否正确，调试中发现Rd断开电压表读数不正常，断开电压表读数不正常，而而Rd接通读数正常，请分析原因。接通读数正常，请分析原因。u2QUdvRd电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2下图中，要使晶闸
25、管下图中，要使晶闸管VT导通，门极触发信号最小要维持导通，门极触发信号最小要维持多长时间？多长时间？已知：已知：E=50V，R=0.5,L=0.5H,IH=10mA,IL=15mA。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件3型号为型号为KP100-3、IH=4mA，晶闸管在下图中应用是否合，晶闸管在下图中应用是否合理？为什么？（不考虑裕量）理？为什么？（不考虑裕量）电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.4典型全控型器件典型全控型器件2.4.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.2电力晶体管电力晶体管2.4.3电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.4绝
26、缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.4.1门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）晶闸管的一种派生器件晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的的电电压压、电电流流容容量量较较大大，与与普普通通晶晶闸闸管管接接近近，耐耐压压耐耐流流可可达达6KV和和6KA，因因而而在在兆兆瓦瓦级级以上的大功率场合仍有较多的应用以上的大功率场合仍有较多的应用电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件1.GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结
27、构：电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件工作原理：工作原理： 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通是器件临界导通的条件。当的条件。当 1 1+ + 2 211时，两时，两个等效晶体管过饱和而使器个等效晶体管过饱和而使器件导通；当件导通；当 1 1+ + 2 2120V将导将导致绝缘层击穿致绝缘层击穿。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件4)极间电容极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS这些电容都是非线性的这些电容都是非线性的l漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力定了电力MOS
28、FET的安全工作区。的安全工作区。l一般电力一般电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。大优点。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件GTR的的特特点点双双极极型型，电电流流驱驱动动，通通流流能能力力很很强强，耐耐压压高高，耐耐流流大大，可可用用在在大大功功率率场场合合。但但开开关关速速度度较较低低，所所需需驱动功率大，驱动电路复杂。驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的的优优点点单单极极型型，电电压压驱驱动动，开开关关速速度度最最快快，输输入入阻阻抗抗高高，热热稳稳定定性性好好，所所需需驱驱动动功功率率小小而而且且驱驱动动电电路
29、路简单。但耐压耐流均不高，只能用在简单。但耐压耐流均不高，只能用在10KW以下的场合。以下的场合。两类器件取长补短结合而成的复合器件两类器件取长补短结合而成的复合器件IGBT电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件1.IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理2.4.4绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件2.IGBT的基本特性的基本特性 a) a) 转移特性转移特性 b) b) 输出特性输出特性1)IGBT的静态特性的静态特性电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件3.IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允
30、许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗。3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。2)最大集电极电流最大集电极电流由内部由内部PNP晶体管的击穿电压确定。晶体管的击穿电压确定。1)最大集射极间电压最大集射极间电压UCES电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件4.IGBT的擎住效应（自锁效应）的擎住效应（自锁效应）电流过高，电压表变化率高，温升高都可能会产生。电流过高，电压表变化率高，温升高都可能会产生。CGE+-+-+-IDRNICVJ1IDRon电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课
31、件IGBT耐压可达耐压可达25003300V，耐流可达，耐流可达8001800A，明，明显高于显高于MOSFET。IGBT开关频率可达开关频率可达1040KHZ，高于，高于BJT。IGBT广泛用于中小功率，尤其在广泛用于中小功率，尤其在PWM控制的电力电控制的电力电子装置中占据重要地位。子装置中占据重要地位。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件本章小结本章小结l掌握电力电子器件的分类及各类的典型代表。掌握电力电子器件的分类及各类的典型代表。l掌握各电力电子器件的开通和截止方式，会分析开通，关断原理。掌握各电力电子器件的开通和截止方式，会分析开通，关断原理。 l掌握各电力电力
32、器件特性，应用场合。掌握各电力电力器件特性，应用场合。l理解各电力电子器件静特性，典型参数，会选取额定值。理解各电力电子器件静特性，典型参数，会选取额定值。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件课内思考：课内思考：1.SCR开通原理如何？什么是开通原理如何？什么是SCR的断态电压临界上升的断态电压临界上升率？为什么要限制此参数？率？为什么要限制此参数？2.2、SCR在运行过程中突然损坏的原因可能有哪些在运行过程中突然损坏的原因可能有哪些?3.3、电力、电力GTR与小功率晶体管有什么不同？与小功率晶体管有什么不同？4.4、MOSFET的开关条件是什么？的开关条件是什么？5.5、总结、总结SCR,GTO,GTR,MOSFET,IGBT各自特点及应各自特点及应用场合。用场合。电力电子技术王兆安第五版课件电力电子技术王兆安第五版课件
