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1、电力电子装置及系统,天津理工大学自动化学院,1、绪论电力电子装置及系统概述概念、分类、前景半导体电力电子开关器件BJC、GTO、IGBT电力电子器件的应用技术散热、缓冲、保护,1.1电力电子装置及系统概述,绪论,以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理额电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置,1 电力电子装置的定义,1.1电力电子装置及系统概述,绪论,2 电力电子控制系统,1.1电力电子装置及系统概述,绪论,3 电力电子装置的主要类型,AC/DC变换器DC/DC变换器DC/AC变换器AC/AC变换器静态开关,1.1电力电子装置及系统概述,绪论,4 电力电
2、子装置的应用概况,直流电源装置 通信电源、充电电源、电解电镀直流电源、开关电源交流电源装置 交流稳压电源、通用逆变电源、不间断UPS电源特种电源装置 静电除尘的高压电源、超声波电源、感应加热电源、焊接电源电力系统用装置 高压直流输电、无功功率补偿装置和电力有源滤波器、电力开关电机调速用电力电子装置其它使用装置 电子整流器和电子变压器、空调电源、微波炉应急灯电源,1.1电力电子装置及系统概述,绪论,5 电力电子装置的发展前景,交流变频调速绿色电力电子装置电动车新能源发电信息电源,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,1 电力二极管,不可控单相导通器件散热烧毁、击穿、开关特性反向恢复时间trr,1
3、.2 半导体电力电子开关器件,绪论,2 晶闸管（SCR）,半控开关器件IG合适、IAIL宽，通态IAIH，断态，主电路关断脉冲电流控制，脉宽,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,门极可关断晶闸管（GTO）,正向和反向脉冲电流控制开通和关断反向关断触发电流较大,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,3 电力晶体三极管（BJT）,电流型全控器件控制基极电流二次击穿现象（限制功耗）,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,3 电力晶体三极管（BJT）开关过程、驱动电流,td 延迟时间tr 集电极电流上升时间tstg 存储时间tf 存集电极电流下降时间,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,4 电力场
4、效应晶体管（MOSFET）,电压型全控器件开关速度快正温度系数,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,4 电力场效应晶体管（MOSFET）特征参数,漏源击穿电压UDSB最高工作频率fm开通时间ton和关断时间toff极间电容,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,5 绝缘门极双极型晶体管（IGBT）,复合管无二次击穿，但有擎住效应,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,6 MCT和IGCT,1.2 半导体电力电子开关器件,绪论,7 半导体电力开关模块和电源集成电路,电力转换模块功率集成电路PIC电电源管理集成电路,1.3 电力电子器件的应用技术,绪论,1 散热技术,散热的重要性散热原理散热措施
5、,1.3 电力电子器件的应用技术,绪论,1 散热技术,散热原理,1.3 电力电子器件的应用技术,绪论,2 缓冲技术,开关损耗抑制开关器件的du/dt,di/dt,1.3 电力电子器件的应用技术,绪论,2 缓冲技术 关断缓冲电路,1.3 电力电子器件的应用技术,绪论,2 缓冲技术 开通缓冲电路,1.3 电力电子器件的应用技术,绪论,2 缓冲技术 复合缓冲电路,1.3 电力电子器件的应用技术,绪论,3 保护技术,过电流保护电流信号的检测输出过电压保护输入瞬态电压抑制输入欠压保护过温保护器件控制极保护自锁式保护电路,2、高频开关电源高频开关电源概述现状、基本组成单端反激开关电源基本关系式、自激、他激
6、功率因数为1的高频整流器非连续、连续功率因数校正器,2.1 高频开关电源概述,高频开关电源,线性稳压电源(功耗大),1 发展状况,2.1 高频开关电源概述,高频开关电源,开关电源发展状况,1 发展状况,高频化 电源电路的模块化、集成化 绿色化,2.1 高频开关电源概述,高频开关电源,开关电源的输入环节,2 高频开关电源的基本组成,输入浪涌电流和瞬态电压抑制 线路滤波器 输入整流滤波,2.1 高频开关电源概述,高频开关电源,功率变换电路,2 高频开关电源的基本组成,2.1 高频开关电源概述,高频开关电源,控制及保护电路,3 高频开关电源的基本组成,PWM电压控制模式 PWM峰值电流控制模式 开关
7、电源的保护,2.1 高频开关电源概述,高频开关电源,控制及保护电路,3 高频开关电源的基本组成,PWM电压控制模式,2.1 高频开关电源概述,高频开关电源,控制及保护电路,3 高频开关电源的基本组成,PWM峰值电流控制模式,2.2 单端反激开关电源,高频开关电源,1 单端反激电源的基本关系式,电流增量:,磁通增量:,1）开关管导通：,2）开关管关断：,电流减量:,磁通减量:,共同关系式,2.2 单端反激电源的基本关系式,高频开关电源,1 共同关系式,3）一个周期内磁通的增量等于磁通的减少量,4）CE结承受的电压,2.2 单端反激电源的基本关系式,高频开关电源,连续工作模式,不连续工作模式,2.
8、2 单端反激开关电源,高频开关电源,2 自激型单端反激开关电源,基本原理,2.2 单端反激开关电源,高频开关电源,2 他激型单端反激开关电源,基本原理,2.4 功率因数为1的高频整流器,高频开关电源,1 非连续电流模式功率因数校正器,基本原理,2.4 功率因数为1的高频整流器,高频开关电源,2 连续电流模式功率因数校正器,基本原理,2.4 功率因数为1的高频整流器,高频开关电源,3 三相高频整流器,基于滞环电流控制的PWM高频整流器基本工作原理,2.4 功率因数为1的高频整流器,高频开关电源,3 三相高频整流器,基于滞环电流控制的PWM高频整流器例子：,2.4 功率因数为1的高频整流器,高频开
9、关电源,3 三相高频整流器,基于滞环电流控制的PWM高频整流器控制系统：,2.4 功率因数为1的高频整流器,高频开关电源,3 三相高频整流器,自然采样SPWM控制,2.4 功率因数为1的高频整流器,高频开关电源,3 三相高频整流器,空间矢量控制,3、逆变器恒频恒压正弦波逆变器 单相、三相恒压恒频正弦波逆变器交流电动机变频调速系统 变频调速概论、装置、高压变频器感应加热电源 高频谐振逆变器原理、控制,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,主电路结构,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,驱动电路,主电路与控制电路的接口 减少损耗，提高运行效率 基本任务,3.1 恒
10、频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,控制方法,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,控制方法直流脉宽调制,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,控制方法正弦波脉宽调制,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,直流不平衡问题,产生的原因：,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,直流不平衡问题,危害：,输出电压畸变率增加 元边产生极大的励磁电流,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,直流不平衡问题,措施：,静态（控制电路和主电路参 数不一致）动态（温漂和负载变化）,模拟补偿方法,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变
11、器,1 逆变器概论,直流不平衡问题,措施：,数字补偿方法,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,1 逆变器概论,输出电压波形控制,开环控制 闭环控制,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,主电路,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,控制系统,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,控制系统,数字分频系统,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,控制系统,标准正弦波形成电路,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,控制系统,三角波形
12、成电路,隔直、比例、积分,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,控制系统,SPWM形成电路,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,驱动电路,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,2 单相恒压恒频正弦波逆变器实例,辅助电源（3路独立电源）,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,3 三相恒压恒频正弦波逆变器,主电路,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,3 三相恒压恒频正弦波逆变器,SPWM三相逆变器,系统组成,3.1 恒频恒压正弦波逆变器,逆变器,3 三相恒压恒频正弦波逆变器,SPWM三相逆变器,门极驱动,3.1 恒频恒压正弦波
13、逆变器,逆变器,3 三相恒压恒频正弦波逆变器,控制器的设计,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,变频调速原理,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,正弦脉宽调制技术SPWM,电压利用率较低 开关次数多，损耗大,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM,3.2 交流电动机变频调速
14、系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,1 变频调速概论,控制方法,电压空间矢量脉宽调制技术SVPWM,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,2 智能功率模块变频调速装置,功率模块IPM,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,2 智能功率模块变频调速装置,控制电路,3.2 交流电动机变频调速系统,逆变器,3
15、高压变频器,3.3 感应加热电源,逆变器,利用电磁感应原理对工件进行加热电磁变换频率越高，发热效率越高传统由电子管振荡式变换器产生,3.3 感应加热电源,逆变器,1 高频谐振逆变器的工作原理,并联谐振式逆变电路,3.3 感应加热电源,逆变器,1 高频谐振逆变器的工作原理,串联谐振式逆变电路,3.3 感应加热电源,逆变器,2 高频感应加热电源的控制,逆变电路功率调节 场效应管的驱动开关过程的寄生振荡及其抑制,4、不间断电源UPSUPS的功能及原理工作原理、发展方向UPS的组成和设计蓄电池组、整流器和PFC、逆变器UPS输出电压控制波形控制、同步锁相技术、快速检测,4.1 UPS的功能及原理,不间
16、断电源UPS,1 概述,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,2 UPS的类型及其工作原理,分类：,方波、梯形波、正弦波,动态、静态,后备式、双变换式、在线互动式、双变换电压补偿在线式,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,2 UPS的类型及其工作原理,后备式UPS,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,2 UPS的类型及其工作原理,双变换在线式UPS,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,2 UPS的类型及其工作原理,双变换在线式UPS（高频机）,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,2 UPS的类型及其工作原理,在线互动式UPS,4.1 UPS的功能
17、及原理,不间断电源UPS,2 UPS的类型及其工作原理,Delta变换式UPS,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,3 典型UPS的性能对比,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,3 典型UPS的性能对比,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,3 典型UPS的性能对比,4.1 UPS的功能及原理,不间断电源UPS,4 UPS的发展方向,提高逆变器的开关频率应用新型开关器件实现高效率、小型化采用微机控制实现UPS的智能化和网络化采用全数字控制手段、满足各种负荷的要求、减少谐波提高可靠性设置必要的功率因数校正装置，实现UPS的绿色化采用冗余并机技术，提高UPS的容量和可靠
18、性,4.2 UPS的组成和设计,不间断电源UPS,整流器、逆变器、蓄电池组、交流滤波器、静态开关、旁路电源、备用电网、整流器触发控制电路、逆变器触发控制电路、静态开关控制电路、辅助电路,不间断电源UPS,1 蓄电池组,4.2 UPS的组成和设计,蓄电池的种类及其工作原理,不间断电源UPS,1 蓄电池组,4.2 UPS的组成和设计,蓄电池的基本性能指标,容量 放电率放电电流放电终止电压自放电率,不间断电源UPS,1 蓄电池组,4.2 UPS的组成和设计,蓄电池的充电和维护,初充电,正常充电,维护,均衡充电,限制充电电流,充电,电池管理系统,连续浮充制,不间断电源UPS,1 蓄电池组,4.2 UP
19、S的组成和设计,UPS蓄电池容量的选择,（1）蓄电池的最大放电电流,（2）根据工作温度和用户确定的蓄电池后备工作时间，查放电特性曲线表，得到电池组的放电速率值,（3）标称容量,不间断电源UPS,2 整流器和PFC电路,4.2 UPS的组成和设计,整流器在UPS中的作用,市电交流转化为直流电，经滤波后供给逆变器,给蓄电池提供充电电压,功能,输出电压大小能调节 输出稳定一定的过载能力纹波小保护和报警功能启动平稳，运行稳定,要求,不间断电源UPS,2 整流器和PFC电路,4.2 UPS的组成和设计,整流器和充电器,小容量的UPS将整流器和充电器分开,整流器电压一般不稳定 蓄电池充电电流不能过大,因为
20、：,大容量的UPS将整流器和充电器整合,控制电路成本比例小,不间断电源UPS,2 整流器和PFC电路,4.2 UPS的组成和设计,整流器和充电器,小容量的UPS将整流器和充电器分开,整流器电压一般不稳定 蓄电池充电电流不能过大,因为：,大容量的UPS将整流器和充电器整合,控制电路成本比例小,不间断电源UPS,2 整流器和PFC电路,4.2 UPS的组成和设计,整流器和充电器,小容量的UPS,大容量的UPS,整流充电分开 开关电源作为充电器恒压或恒压限流充电,整流充电合二为一 一体分级充电控制,不间断电源UPS,2 整流器和PFC电路,4.2 UPS的组成和设计,功率因数校正电路（PFC）,不间
21、断电源UPS,3 逆变器,4.2 UPS的组成和设计,逆变器在UPS中的作用,能输出一个电压稳定的交流电 能输出频率稳定的交流电输出的电压和频率，在一定的范围内可以调节具有一定的过载能力谐波成分尽量小保护报警功能快速暂态响应,要求,不间断电源UPS,3 逆变器,4.2 UPS的组成和设计,UPS逆变器中的类型,不间断电源UPS,3 逆变器,4.2 UPS的组成和设计,UPS逆变器主电路结构选择,分类：,全桥、半桥、推挽,输入输出隔离、不隔离,MOSFET、IGBT,不间断电源UPS,3 逆变器,4.2 UPS的组成和设计,UPS逆变器主电路实例,不间断电源UPS,4 逆变、市电的切换电路,4.
22、2 UPS的组成和设计,不间断电源UPS,4 逆变、市电的切换电路,4.2 UPS的组成和设计,机械继电器,不间断电源UPS,4 逆变、市电的切换电路,4.2 UPS的组成和设计,静态开关,不间断电源UPS,4 逆变、市电的切换电路,4.2 UPS的组成和设计,混合式开关,不间断电源UPS,5 滤波电路,4.2 UPS的组成和设计,分类：,交流滤波,直流电压滤波,交流输出滤波,不间断电源UPS,5 滤波电路,4.2 UPS的组成和设计,输出滤波电感、电容选择,不间断电源UPS,6 旁路控制电源和系统辅助电源,4.2 UPS的组成和设计,给静态开关供电 一般取市电为旁路电源通常由隔离变压器降压、
23、不控整流器、滤波器、稳压控制器等组成12V,20V，5V采用单端反激开关电源的DC/DC变换器作辅助电源,不间断电源UPS,7 接地装置、保护和报警系统,4.2 UPS的组成和设计,目的：在正常的事故以及雷击的情况下，利用大地作为接地电流回路的一个元件，从而将设备接地处固定为所允许的接地电位 要求：减小接地电阻，注意接地处地面上的人和设备的安全，接地要可靠，避免假接地接地方式：UPS装置外壳接地、电源装置触发控制电路及其控制回路中的逻辑“地”接地、避雷接地,接地装置,不间断电源UPS,4.2 UPS输出电压控制,输出电压稳定以及工作可靠，而且要求其输出电压正弦度要好 过电压保护 欠电压保护短路
24、保护过热保护蓄电池的液面和温度保护三相输入型UPS的输入电压异常的保护,保护和报警系统,7 接地装置、保护和报警系统,不间断电源UPS,1 UPS输出电压波形控制,4.3 UPS输出电压控制,输出电压稳定以及工作可靠，而且要求其输出电压正弦度要好 电压正弦度要好，动态响应速度快,要求：,不间断电源UPS,2 UPS同步锁相技术,4.3 UPS输出电压控制,使逆变器与市电保持相位同步运行，为了避免UPS的逆变器与市电旁路之间相互切换时对负载产生过大的冲击。,逆变器输出必须与市电保持频率相位一致（限定范围内）50Hz同步信号（超过限定范围或市电掉电）,不间断电源UPS,2 UPS同步锁相技术,4.
25、3 UPS输出电压控制,锁相环工作原理：,不间断电源UPS,2 UPS同步锁相技术,4.3 UPS输出电压控制,锁相环工作原理：,不间断电源UPS,2 UPS同步锁相技术,4.3 UPS输出电压控制,锁相环工作原理：,不间断电源UPS,2 UPS同步锁相技术,4.3 UPS输出电压控制,传统锁相环设计,不间断电源UPS,4.3 UPS输出电压控制,数字锁相环设计,相位误差检测市电过零点检测,2 UPS同步锁相技术,不间断电源UPS,4.3 UPS输出电压控制,数字锁相环设计,2 UPS同步锁相技术,不间断电源UPS,4.3 UPS输出电压控制,数字锁相环设计,调节周期进而调节频率,UPS输出电
26、压：,2 UPS同步锁相技术,不间断电源UPS,4.3 UPS输出电压控制,数字锁相环设计,2 UPS同步锁相技术,不间断电源UPS,4.3 UPS输出电压控制,数字锁相环设计,2 UPS同步锁相技术,不间断电源UPS,4.3 UPS输出电压控制,3 UPS交流电压幅值快速检测,5、直流-直流变流装置应用直流斩波变换的调速系统直流电动机无触点启动器、四象限斩波调速滑差电机的调速系统具有中间变换环节的DC/DC变换器主电路、控制电路工作原理、驱动电路及IGBT的短路保护,直流-直流变流装置,5.1 应用直流斩波变换的调速系统,1 直流电动机无触点启动器,直流电动机启动过程,启动时，电流过大的根源
27、！,直流-直流变流装置,5.1 应用直流斩波变换的调速系统,1 直流电动机无触点启动器,限流方法：,串加外接电阻 改变外加电压,直流-直流变流装置,5.1 应用直流斩波变换的调速系统,1 直流电动机无触点启动器,无触点启动器：,主电路,控制电路（1）电流调节（2）滞环限流电路（3）记忆封锁,直流-直流变流装置,5.1 应用直流斩波变换的调速系统,2 四象限斩波调速系统,主电路：,直流-直流变流装置,5.1 应用直流斩波变换的调速系统,2 四象限斩波调速系统,调速系统：,直流-直流变流装置,5.2 滑差电机调速系统,1 滑差电机调速原理,调速系统：,异步电动机,电磁离合器,直流斩波,直流-直流变
28、流装置,5.2 滑差电机调速系统,2 锁相调速,直流-直流变流装置,5.2 滑差电机调速系统,3 锁相环控制环节,相位比较部分：,直流-直流变流装置,5.2 滑差电机调速系统,3 锁相环控制环节,低通滤波器：,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,1 主电路工作原理,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,1 主电路工作原理,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,2 控制电路工作原理,锯齿波形成环节：,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,脉宽调制电路：,2 控制电路工作原理,直流-直流变流装
29、置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,脉宽调制电路：,2 控制电路工作原理,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,调节器：,2 控制电路工作原理,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,保护和软启动环节：,2 控制电路工作原理,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,死区时间控制电路：,2 控制电路工作原理,直流-直流变流装置,5.3 具有中间变换环节的DC/DC变换器,3 驱动电路及IGBT的短路保护,6、晶闸管变流装置晶闸管交流变换器交流调功器、过零触发集成电路、移相控制交流调压晶闸管相控调速系统直流电动机
30、、交流调压调速、串级调速交流净化型稳压电源晶闸管谐振型逆变器,晶闸管变流装置,6.1 晶闸管交流变换器,1 交流调功器,晶闸管变流装置,6.1 晶闸管交流变换器,1 交流调功器,基本原理：,晶闸管变流装置,6.1 晶闸管交流变换器,1 交流调功器,主电路设计要点：电路结构选择、参数设计,（1）反向重复峰值电压和断态重复峰值电压（2）双向可控硅额定电流（3）通态电流平均值,晶闸管变流装置,6.1 晶闸管交流变换器,1 交流调功器,分离元件组成的控制电路,零脉冲电路：,晶闸管变流装置,6.1 晶闸管交流变换器,1 交流调功器,分离元件组成的控制电路,导通比电路：,晶闸管变流装置,6.1 晶闸管交流
31、变换器,1 交流调功器,分离元件组成的控制电路,过流截止电路：,晶闸管变流装置,6.2 晶闸管相控调速系统,1 晶闸管相控整流直流电动机调速系统,主电路及系统原理,晶闸管变流装置,6.2 晶闸管相控调速系统,1 晶闸管相控整流直流电动机调速系统,控制电路,触发器：,晶闸管变流装置,6.2 晶闸管相控调速系统,1 晶闸管相控整流直流电动机调速系统,控制电路,输入器：,晶闸管变流装置,6.2 晶闸管相控调速系统,1 晶闸管相控整流直流电动机调速系统,控制电路,电流调节（LT）和速度调节器（ST）,检测电路,运算放大器、二极管限幅电路、互补输出的电流调节器、输入阻抗网络和反馈阻抗网络,晶闸管变流装置,6.2 晶闸管相控调速系统,2 晶闸管相控交流调压调速系统,原理,晶闸管变流装置,6.3 交流净化型稳压电源,1 稳压电源类型,磁放大器式稳压器 滑动式交流稳压器分级自动改变变比的稳压电源铁磁谐振式稳压器感应式交流稳压器晶闸管交流相控斩波稳压器恒频恒压交流电源交流净化型稳压电源,晶闸管变流装置,6.3 交流净化型稳压电源,2 交流净化稳压电源,晶闸管变流装置,6.4 晶闸管谐振型逆变器,1 谐振逆变器主电路结构,
