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1、 目錄摘要1第一章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及原理21.1、系統(tǒng)方案21.2、系統(tǒng)工作原理21.2.1、逆變電路的基本工作原理21.2.2、單相半橋阻感負(fù)載逆變電路31.2.3、單相半橋純電阻負(fù)載逆變電路41.3、IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理41.3.1、IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)41.3.2、 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求6第二章 硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算7 2.1、系統(tǒng)硬件連接72.1.1、單相半橋無(wú)源逆變主電路如圖下所示72.2、整流電路設(shè)計(jì)方案8 2.2.1、整流變壓器的參數(shù)運(yùn)算82.2.2、整流變壓器元件選擇92.2.3、整流電路保護(hù)元件的選用92.3、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案102.3.1、IGBT驅(qū)動(dòng)器的基本驅(qū)動(dòng)
2、性能102.3.2、驅(qū)動(dòng)電路112.4、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)方案12第三章 系統(tǒng)仿真133.1、建立仿真模型133.2、仿真結(jié)果分析15第四章 小結(jié)16參考文獻(xiàn)17摘要電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛,它不僅用于一般工業(yè),也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等,在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入新世紀(jì)后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。以計(jì)算機(jī)為核心的信息科學(xué)將是21世紀(jì)起主導(dǎo)作用的科學(xué)技術(shù)之一,有人預(yù)言,電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起,將和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)的兩大支柱。變流技術(shù)也稱為電力電子器件的應(yīng)用技術(shù),它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對(duì)這些
3、電路進(jìn)行控制的技術(shù),以及由這些電路構(gòu)成電路電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。“變流”不僅指交直流之間的交換,也包括直流變直流和交流變交流的變換,變流電路在工作過(guò)程中不斷發(fā)生電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移,這就是換流。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路稱為逆變電路,根據(jù)交流電的用途可分為有源逆變和無(wú)源逆變。本課程設(shè)計(jì)主要介紹單相半橋無(wú)源逆變電路。關(guān)鍵詞:整流、無(wú)源逆變、IGBT晶閘管第一章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及原理1.1、系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案如圖1所示,在電路原理框圖中,交流電源、整流、濾波和半橋逆變電路四個(gè)部分構(gòu)成電路的主電路,驅(qū)動(dòng)電源和驅(qū)動(dòng)電路兩部分構(gòu)成指揮主電路中逆變橋正確工作的控制電路。其中,交流電源、整流
4、、濾波三個(gè)部分的功能分別由交流變壓器、全橋整流模塊和兩個(gè)串聯(lián)的電解電容實(shí)現(xiàn);半橋逆變電路由半橋逆變和緩沖電路構(gòu)成; 而驅(qū)動(dòng)電源和驅(qū)動(dòng)電路則需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路的要求進(jìn)行搭建。驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電路IGBT半橋逆變電 路濾 波整流交流電源 圖1 電路原理圖1.2、系統(tǒng)工作原理1.2.1、逆變電路的基本工作原理圖2逆變電路原理圖圖中S1S4是橋式電路的4個(gè)臂,它們由電力電子器件及其輔助電路組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4閉合,S2、S3斷開(kāi)時(shí),負(fù)載電壓u0為正;當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4斷開(kāi),S2、S3閉合時(shí),u0為負(fù)。這樣,就把直流電變成了交流電,改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率,即可改變輸出交流電的頻率。1.2.2、單相半橋阻感負(fù)載
5、逆變電路圖3 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形在一個(gè)周期內(nèi),電力晶體管T1和T2的基極信號(hào)各有半周正偏,半周反偏且互補(bǔ)。若負(fù)載為阻感負(fù)載,設(shè)t2時(shí)刻以前,T1有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通,T2截止,則。t2時(shí)刻關(guān)斷的T1,同時(shí)給T2發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)。由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向,于是D2導(dǎo)通續(xù)流, 。t3時(shí)刻i。降至零,D2截止,T2導(dǎo)通,i。開(kāi)始反向增大,此時(shí)仍然有。在t4時(shí)刻關(guān)斷T2,同時(shí)給T1發(fā)出導(dǎo)通信號(hào),由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向,D1先導(dǎo)通續(xù)流,此時(shí)仍然有;t5時(shí)刻 i。降至零, T1導(dǎo)通,。 1.2.3、單相半橋純電阻負(fù)載逆變電路圖4 單相半橋純電阻負(fù)載逆變電路及IGBT
6、脈沖波形在一個(gè)周期內(nèi),電力晶體管V1和V2的基極信號(hào)各有半周正偏,半周反偏且互補(bǔ)。由于是純電阻負(fù)載,當(dāng)V1開(kāi)通時(shí)V2關(guān)斷,則負(fù)載兩端的電壓為:;當(dāng)V1關(guān)斷時(shí)V2開(kāi)通,則負(fù)載兩端的電壓為:。1.3、IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理 1.3.1、IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)IGBT是雙極型晶體管(BJT)和MOSFET的復(fù)合器件,IGBT將BJT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入到VDMOS的高祖漂流區(qū),大大改善了器件的導(dǎo)通特性,同時(shí)它還具有MOSFET的柵極高輸入阻抗的特點(diǎn)。IGBT所能應(yīng)用的范圍基本上替代了傳統(tǒng)的功率晶體管。 圖5 IGBT結(jié)構(gòu)圖如圖5所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu), N+ 區(qū)稱為源區(qū),附于其
7、上的電極稱為源極。P+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū),附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成),稱為亞溝道區(qū)(Subchannel region)。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector),它是IGBT 特有的功能區(qū),與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管,起發(fā)射極的作用,向漏極注入空穴,進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制,以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道,給PNP 晶體管提供基極電流,使IGBT 導(dǎo)通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基
8、極電流,使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后,從P+ 基極注入到N 一層的空穴,對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,減小N 一層的電阻,使IGBT 在高電壓時(shí),也具有低的通態(tài)電壓。IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由門極電壓控制的,當(dāng)門極加正向電壓時(shí),門極下方的P區(qū)中形成電子載流子到點(diǎn)溝道,電子載流子由發(fā)射極的N+區(qū)通過(guò)導(dǎo)電溝道注入N-區(qū),即為IGBT內(nèi)部的PNP型晶體管提供基極電流,從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí),為維持N-區(qū)的電平衡,P+區(qū)像N-區(qū)注入空穴載流子,并保持N-區(qū)具有較高的載流子濃度,即對(duì)N-區(qū)
9、進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,減小導(dǎo)通電阻,使得IGBT也具有較低的通態(tài)壓降。若門極上加負(fù)電壓時(shí),MOSFET內(nèi)的溝道消失,PNP型晶體管的基極電流被切斷,IGBT就關(guān)斷。 圖6 常用IGBT的電氣符號(hào) 圖7 IGBT的等效電路 圖6為IGBT的常用電氣符號(hào),IGBT的等效電路如圖7所示,由圖可知,若在IGBT的柵極G和發(fā)射極E之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓,則MOSFET導(dǎo)通,這樣PNP晶體管的集電極C與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOS 截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件,在它的柵極G發(fā)射極E間施加十幾V
10、的直流電壓,只有在uA級(jí)的漏電流流過(guò),基本上不消耗功率。 如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過(guò)高超過(guò)柵極發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(guò)集電極發(fā)射極之間的耐壓,流過(guò)IGBT集電極發(fā)射極的電流超過(guò)集電極發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會(huì)永久性損壞。 1.3.2、 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求 IGBT 的驅(qū)動(dòng)條件與它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。柵極的正偏壓+VGE、負(fù)偏壓-VGE 和柵極電阻RG 的大小,對(duì)IGBT 的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短
11、路能力以及dVCE/dt等參數(shù)都有不同程度的影響。門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系如表1 所示。 表1 門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系 4 特性 VDS TON、EON Tdf、Edf負(fù)載短路能力 電流dVCE/dt +VCE增大 降低 降低 降低 增加 -VCE增大 略減小 減小 RC增大 增加 增加 減小 根據(jù)IGBT的特性,其對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求如下: (1)提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷海笽GBT能可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降,但若UGE過(guò)大,則負(fù)載短路時(shí)其IC隨UGE增大而增大,對(duì)其安全不利,使用中選UGE<<15V為好。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流
12、過(guò)大而使IGBT誤導(dǎo)通,一般選UGE=5V為宜。 (2)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮。快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率,減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下,IGBT的開(kāi)頻率不宜過(guò)大,因?yàn)楦咚匍_(kāi)斷和關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓,及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。 (3)IGBT開(kāi)通后,驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值,使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和而損壞。 (4)IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響,RG較大,有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率,但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗;RG較小,會(huì)引起電流上升率增大,使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電
13、路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān),一般在幾歐幾十歐,小容量的IGBT其RG值較大。 (5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的保護(hù)功能。IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配,另外,在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下,GE斷不能開(kāi)路。第二章 硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算2.1、系統(tǒng)硬件連接2.1.1、單相半橋無(wú)源逆變主電路如圖下所示圖8 單相半橋無(wú)源逆變主電路2.2、整流電路設(shè)計(jì)方案2.2.1、整流變壓器的參數(shù)運(yùn)算1)變壓器二次側(cè)電壓的計(jì)算是一個(gè)重要的參數(shù),選擇過(guò)低就會(huì)無(wú)法保證輸出額定電壓。選擇過(guò)大又會(huì)造成延遲角加大,功率因數(shù)變壞,整流元件的耐壓升高,增加了裝置的成本。根據(jù)設(shè)計(jì)要求
14、,采用公式: 由表查得 A=2.34;取=0.9;角考慮10°裕量,則 B=cos=0.985取=140V。電壓比K=/=220/140=1.57。2 )一次、二次電流、的計(jì)算由 得考慮空載電流 取 3)變壓器容量的計(jì)算; ; ; 2.2.2、整流變壓器元件選擇1) 整流元件選擇二極管承受最大反向電壓,考慮三倍裕量,則,取600V。該電路整流輸出接有大電容,而且負(fù)載為純電阻性負(fù)載,所以簡(jiǎn)化計(jì)算得 取15A。故選ZP-15A 整流二極管4只,并配15A散熱器。2) 濾波電容的選擇 濾波電容一般根據(jù)放電時(shí)間常數(shù)計(jì)算,負(fù)載越大,要求紋波系數(shù)越小,電容量越大。一般不作嚴(yán)格計(jì)算,多取2000以
15、上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大,故取=2200耐壓按 取250V。即選用2200、250V電容器。3) IGBT的選擇因,取3倍裕量,選耐壓為150以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標(biāo)注,且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系,故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜。為此選用1MBH50-090型IGBT。其續(xù)流二極管選擇與之配套的快速恢復(fù)二極管EDR60-100。Cl、C2為3300uF電解電容2.2.3、整流電路保護(hù)元件的選用1)變壓器二次側(cè)熔斷器選擇由于變壓器最大二次電流,故選用10A熔芯即可滿足要求。應(yīng)選用15A、250V熔斷器。 2.3、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案2.3.1、IGBT驅(qū)動(dòng)器的基本驅(qū)
16、動(dòng)性能動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)IGBT在硬開(kāi)關(guān)方式下工作時(shí),會(huì)在開(kāi)通及關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生較人的損耗。這個(gè)過(guò)程越長(zhǎng),開(kāi)關(guān)損耗越大。器件工作頻率較高時(shí),開(kāi)關(guān)損耗會(huì)大大超過(guò)IGBT通態(tài)損耗,造成管芯溫升較高。這種情況會(huì)大大限制IGBT的開(kāi)關(guān)頻率和輸出能力,同時(shí)對(duì)IGBT的安全工作構(gòu)成很大威脅。IGBT的開(kāi)關(guān)速度與其柵極控制信號(hào)的變化速度密切相關(guān)。IGBT的柵源特性顯非線性電容性質(zhì),因此驅(qū)動(dòng)器須具有足夠的瞬時(shí)電流吞吐能力,才能使IGBT柵源電壓建立或消失得足夠快,從而使開(kāi)關(guān)損耗降至較低的水平。另一方面,驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻也小能過(guò)小,以免驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼
17、振蕩。同時(shí),過(guò)短的開(kāi)關(guān)時(shí)間也會(huì)造成回路過(guò)高的電流尖峰,這既對(duì)主回路安全不利,也容易在控制電路中造成干擾。能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艠?lè)。IGBT導(dǎo)通肝的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān),在集射電流一定的情況下,Vge越高,Vce越低,器件的導(dǎo)通損耗就越小,這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是,Vge井非越高越好,Vge過(guò)大,負(fù)載短路時(shí)Ic增大,ILBT能承受短路電流的時(shí)間減少,對(duì)安全不利,一但發(fā)生過(guò)流或短路,柵壓越高,則電流幅值越高,IGBT損壞的可能性就越大。因此,在有短路程的設(shè)備中Vge應(yīng)選小些,一般選1215V。在關(guān)斷過(guò)程中,為盡快抽取PNP管中的存儲(chǔ)電荷,能向IGBT提供足夠的反向柵壓。考慮到
18、在IGBT關(guān)斷期間,由于電路中其他部分的工作,會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào),這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài),增加管了的功耗,重則將使裂變電路處于短路直通狀態(tài),因此,最好給應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓(515V),使IGBT在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設(shè)備中,IGBT與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系,而控制電路一般不希望如此。另外,許多電路中的IGBT的工作電位差別很大,也不允許控制電路與其直接藕合。因此驅(qū)動(dòng)器具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作,也有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動(dòng)信譬的正常傳輸。具有柵壓限幅電路,
19、保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極眼電壓一般為±20V,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。輸入輸出信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí)。這小儀能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后,而且能提高保護(hù)的快速性。人電感負(fù)載下,IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能過(guò)分短,以限制didt所形成的尖峰電壓,保證IGBT的安全。2.3.2、驅(qū)動(dòng)電路IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖9,此IGBT門極驅(qū)動(dòng)電路采用了光耦合器使信號(hào)電路與門極驅(qū)動(dòng)電路相隔離。當(dāng)光電耦合器導(dǎo)通時(shí),V截止,IGBT導(dǎo)通。光電耦合器截止,V導(dǎo)通,導(dǎo)通,IGBT截止。圖9 IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖2.4、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)方案 控制電路需要實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號(hào),用于可控制電路中主功率器件的通斷,通過(guò)對(duì)
20、占空比的調(diào)節(jié),達(dá)到控制輸出電壓大小的目的。此外,控制電路還具有一定的保護(hù)功能。 被實(shí)驗(yàn)裝置的控制電路采用控制芯片SG3525為核心組成。芯片的輸入電壓為8V到35V。它的振蕩頻率可在100HZ到500KHZ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在芯片的CT端和放電端間串聯(lián)一個(gè)電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。此外此外,其軟起動(dòng)電路非常容易設(shè)計(jì),只需外部接一個(gè)軟起動(dòng)電容即可。圖10 觸發(fā)電路圖第三章 系統(tǒng)仿真MATLAB軟件語(yǔ)言系統(tǒng)是當(dāng)今流行的第四代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,由于它在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真、圖形圖像處理等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),目前MATLAB受到個(gè)研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用MATLA
21、B軟件對(duì)研究結(jié)果經(jīng)行仿真,以驗(yàn)證結(jié)果是否正確。3.1、建立仿真模型建立仿真模型的步驟:打開(kāi)MATLAB,進(jìn)入Simulink命令窗口建立主電路的仿真模型。 構(gòu)造控制部分進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,把電源設(shè)置為直流100V,脈沖信號(hào)周期設(shè)置為0.02S,脈寬為50,相位相差180。 運(yùn)行程序,打開(kāi)示波器觀察完成波形觀測(cè)及分析部分。最終完成仿真模型如圖11所示:圖11 單相半橋無(wú)源逆變電路仿真模型圖12 電源參數(shù)設(shè)置 圖13 驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)參數(shù)設(shè)置3.2、仿真結(jié)果分析將仿真時(shí)間設(shè)為0.00s,選擇ode113的仿真算法,將絕對(duì)誤差設(shè)為1e-5,運(yùn)行后可得仿真結(jié)果。如圖14所示自上而下分別為直流輸入電壓、逆變器輸出的負(fù)載交流電壓、負(fù)載電流和V1、V2的脈沖波形。交流電壓為50v的方波電壓,周期與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同為1kHz。由于選取的參考電壓方向?yàn)樨?fù)方向,則V1開(kāi)通V2關(guān)斷時(shí)負(fù)載電壓方向?yàn)?50V。圖14 單相半橋無(wú)源逆變電路仿真波形第四章 小結(jié)電力電子技術(shù)是一門技術(shù)基本課程,也是實(shí)用性很強(qiáng)的一門課程。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì),使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)電力電子方面的知識(shí),能夠很好
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