电力电子基础 （原书第2版）

随着电力电子技术的迅速发展，其技术已广泛应用于计算机、通信、工业加工和航天航空等领域。因此，从事电力电子技术学习和研究的高校师生以及从事电力电子技术研发的工程技术人员都迫切需要理论性、实用性强的学习资料，这便是我们向同行介绍本书的用意所在。 本书是目前行业公认的、*具权威的电力电子技术指导著作之一《电力电子基础》的再版，介绍了电力电子技术的诸多方面，为高校师生和工程技术人员在可再生能源与可替代能源领域的研究及应用提供了基础的文本资料，以此来帮助解决不常见且具有挑战性的问题。为了与实际应用相结合，本书不仅注重介绍该领域的热点和具有前景性的电路应用，而且将电路分析和设计结合在一起，通过应用案例加以分析，从而使读者更容易理解吸收。本书表达严谨、规范，材料全面、系统，因此是电力电子技术原理分析与实际电路设计结合得非常好的一本书。 需要说明的是，《电力电子基础》是由美国伊利诺伊大学电气与计算机工程系Philip T. Krein教授编写，共两个版本。本书是基于英文第2版的中译版，电路中的符号均采用第2版原版形式。 Copyright 2015 by Oxford University Press Elements of Power Electronics was originally published in English in 2015. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. China Machine Press is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon. 北京市版权局著作权合同登记　图字：01-2018-8101号。

目　录 译者序 前言 第Ⅰ部分　基本原理 第1章 　电力电子与能源革命 1 1.1　电气工程的能源基础知识 1 1.2　电力电子学是什么？ 3 1.3　电能转换的需求 4 1.4　历史 5 1.4.1　整流器和二极管 5 1.4.2　逆变器和功率晶闸管 6 1.4.3　电机驱动应用 7 1.4.4　电源与dc-dc转换 8 1.4.5　可替代能源处理 10 1.4.6　能源的未来——电力电子革命 11 1.4.7　总结与未来发展 12 1.5　电能转换的目标和方法 13 1.5.1　基本目标 13 1.5.2　效率目标——开关器件 14 1.5.3　可靠性目标—简化与集成 14 1.5.4　重要变量和符号 15 1.6　开关功率变换器的能量分析 16 1.6.1　一段时间的能量守恒 16 1.6.2　dc-dc变换器的能量流动和 动作 18 1.6.3　整流器的能量流动和动作 21 1.7　电力电子应用—通用能源推动者 24 1.7.1　光伏系统结构 24 1.7.2　风能体系结构 25 1.7.3　潮汐能体系结构 27 1.7.4　电气化交通系统结构 28 1.8　回顾 29 习题 30 参考文献 33 第2章 　开关变换与分析 35 2.1　引言 35 2.2　组合传统电路与开关器件 36 2.2.1　关注构成变换器的开关器件 36 2.2.2　基于配置的分析 38 2.2.3　作为设计工具的开关矩阵 39 2.3　基尔霍夫定律的存在 41 2.3.1　切换冲突带来的挑战 41 2.3.2　电压源与电流源的互连 42 2.3.3　短期与长期的违规操作 43 2.3.4　电感电压和电容电流平均值 的理解 43 2.3.5　电源转换 44 2.4　开关函数及其应用 45 2.5　功率开关器件综述 48 2.5.1　实际的开关器件 48 2.5.2　受限开关 49 2.5.3　典型器件及其功能 50 2.6　包含二极管电路的配置方式 53 2.7　基于开关动作的变换器控制 59 2.8　等效电源法 60 2.9　仿真 62 2.10　总结与回顾 62 习题 64 参考文献 66 第Ⅱ部分　变换器及其应用 第3章 　dc-dc变换器 67 3.1　dc-dc变换的重要性 67 3.2　为何不使用分压器 68 3.3　线性稳压器 69 3.3.1　稳压电路 69 3.3.2　调节措施 71 3.4　直接dc-dc变换器和滤波器 72 3.4.1　buck变换器 72 3.4.2　boost变换器 75 3.4.3　功率滤波器设计 77 3.4.4　不连续模式和临界电感 80 3.5　间接dc-dc变换器 87 3.5.1　buck-boost变换器 87 3.5.2　boost-buck变换器 90 3.5.3　反激式变换器 91 3.5.4　SEPIC、Zeta和其他间接 变换器 94 3.5.5　间接变换器中的功率 滤波器 95 3.5.6　间接变换器中的不连续 模式 96 3.6　正激变换器与隔离 100 3.6.1　基本的变压器运行过程 100 3.6.2　正激变换器的一般注意 事项 101 3.6.3　带捕获绕组的正激变换器 102 3.6.4　带有交流链路的正激 变换器 103 3.6.5　Boost派生（电流馈电） 正激变换器 105 3.7　双向变换器 106 3.8　dc-dc变换器设计问题和实例 107 3.8.1　上端开关器件的挑战 107 3.8.2　电阻和正向导通压降的 限制 108 3.8.3　调节率 110 3.8.4　太阳能接口变换器 112 3.8.5　电动卡车接口变换器 113 3.8.6　通信电源 115 3.9　应用探讨 116 3.10　总结 117 习题 119 参考文献 123 附加书目 125 第4章 　整流器和开关电容电路 126 4.1　介绍 126 4.2　整流器概述 126 4.3　经典整流器—运行与分析 127 4.4　相控整流器 133 4.4.1　不可控整流的情况 133 4.4.2　可控整流桥和中点整流器 137 4.4.3　多相桥式整流器 143 4.4.4　整流器的滤波 147 4.4.5　非连续导通模式 150 4.5　有源整流器 153 4.5.1　boost整流器 153 4.5.2　非连续模式反激变换器和相关 变换器—有源整流器 158 4.5.3　多相有源整流器 160 4.6　开关电容变换器 162 4.6.1　电容之间的电荷交换 162 4.6.2　电容与开关矩阵 163 4.6.3　倍压电路 164 4.7　电压和电流倍增器 166 4.8　变换器设计实例 167 4.8.1　风电功率整流器 167 4.8.2　电力系统控制和高压 直流系统 169 4.8.3　固态照明 170 4.8.4　车载有源电池充电器 172 4.9　应用讨论 175 4.10　总结 176 习题 178 参考文献 183 第5章 　逆变器 185 5.1　概述 185 5.2　逆变器的诸多考虑因素 185 5.3　电压源逆变器及其控制方法 188 5.4　脉宽调制 191 5.4.1　概述 191 5.4.2　构建脉宽调制波形 194 5.4.3　脉宽调制的缺点 196 5.4.4　多电平脉宽调制 197 5.4.5　PWM调制下逆变器的 输入电流 199 5.5　三相逆变器和空间矢量调制 200 5.6　电流源逆变器 205 5.7　滤波器和逆变器 206 5.8　逆变器设计示例 208 5.8.1　太阳能接口电路 208 5.8.2　不间断电源 209 5.8.3　用于电动汽车的高性能 驱动器 211 5.9　应用讨论 213 5.10　总结 214 习题 215 参考文献 217 附加书目 218 第 Ⅲ 部分　实际电力电子元件及其特性 第6章 　电源和负载 219 6.1　引言 219 6.2　实际负载 220 6.2.1　准稳态负载 220 6.2.2　瞬态负载 222 6.2.3　应对负载变化—动态调节 223 6.3　导线电感 224 6.4　临界值和案例分析 226 6.5　实际源接口 229 6.5.1　源的阻抗特性 229 6.5.2　直流源接口 230 6.5.3　交流源接口 232 6.6　电池的电源特性 237 6.6.1　铅酸电池 238 6.6.2　镍电池 239 6.6.3　锂离子电池 240 6.6.4　基础比较 240 6.7　燃料电池和太阳能电池的电源 特性 242 6.7.1　燃料电池 242 6.7.2　太阳能电池 243 6.8　设计实例 244 6.8.1　风电场互联问题 244 6.8.2　旁路电容的好处 245 6.8.3　升压型有源整流器功率因数校 正的接口 246 6.8.4　小型便携式设备的锂离子电池 充电器 247 6.9　应用探讨 250 6.10　回顾 251 习题 252 参考文献 255 第7章 　电容和电阻 257 7.1　简介 257 7.2　电容的种类及其等效电路 257 7.2.1　主要类型 257 7.2.2　等效电路 259 7.2.3　阻抗特性 261 7.2.4　单介质电容的类型和材料 262 7.2.5　电解电容 263 7.2.6　双层电容 265 7.3　等效串联电阻的影响 265 7.4　等效串联电感的影响 268 7.5　导线电阻 269 7.5.1　导线尺寸 269 7.5.2　线路和母线 272 7.5.3　温度和频率的影响 273 7.6　电阻 274 7.7　设计举例 275 7.7.1　单相逆变器的能量 275 7.7.2　低压dc-dc变换器中的并联 电容 276 7.7.3　应用加热灯的电阻管理 278 7.8　应用讨论 279 7.9　简要回顾 280 习题 280 参考文献 283 附加书目 284 第8章 　面向电力电子的磁理论 285 8.1　引言 285 8.2　磁近似下的麦克斯韦方程组 285 8.3　材料和性能 286 8.4　磁路 287 8.4.1　磁路等效 287 8.4.2　电感 288 8.4.3　理想变压器和实际变压器 293 8.5　磁滞回线和损耗 295 8.6　磁饱和约束条件 298 8.6.1　饱和极限 298 8.6.2　综合设计注意事项 300 8.7　设计案例 302 8.7.1　磁芯材料和几何结构 302 8.7.2　变压器的补充讨论 305 8.7.3　混合动力汽车升压电感 306 8.7.4　建筑一体化太阳能变换器 307 8.7.5　小型卫星型隔离变换器 311 8.8　应用讨论 314 8.9　小结 316 习题 318 参考文献 320 第9章 　变换器中的功率半导体器件 322 9.1　引言 322 9.2　开关器件状态 322 9.3　静态模型 324 9.4　开关能量损耗及实例 329 9.4.1　一般损耗分析 329 9.4.2　换流过程中的能量损耗 330 9.4.3　实例 333 9.5　功率半导体的简单导热模型 336 9.6　作为功率器件的P-N结 340 9.7　P-N结二极管及其替代技术 342 9.8　晶闸管 343 9.9　场效应晶体管 346 9.10　绝缘栅双极型晶体管 349 9.11　集成门极换流晶闸管及其组合 器件 351 9.12　复合半导体和宽带隙半导体的 影响 351 9.13　缓冲电路 352 9.13.1　引言 352 9.13.2　有损关断缓冲电路 353 9.13.3　有损导通缓冲电路 356 9.13.4　组合式无损缓冲电路 359 9.14　设计实例 359 9.14.1　用于磁盘驱动器的升压 变换器 360 9.14.2　电动汽车逆变器的损耗 估算 365 9.14.3　高性能器件 367 9.15　应用讨论 368 9.16　回顾 369 习题 372 参考文献 375 附加书目 376 第10章 　功率半导体的器件接口技术 377 10.1　简介 377 10.2　栅极驱动 378 10.2.1　概述 378 10.2.2　电压控制栅极 378 10.2.3　脉冲电流门极驱动 381 10.2.4　其他晶闸管 384 10.3　隔离与高压侧开关 385 10.4　P沟道器件应用及直通 389 10.5　电力电子器件的传感器 390 10.5.1　阻性传感器 390 10.5.2　带栅极驱动的集成传感 方式 392 10.5.3　非接触传感器 394 10.6　设计举例 397 10.6.1　dc-dc电池充电器的栅极 考虑 397 10.6.2　栅极驱动阻抗需求 398 10.6.3　霍尔传感器精度分析 398 10.7　应用讨论 399 10.8　简要回顾 399 习题 401 参考文献 403 附加书目 403 第 Ⅳ 部分　控制方面 第11章 　变换器的反馈控制概述 405 11.1　介绍 405 11.2　调节与控制问题 406 11.2.1　介绍 406 11.2.2　定义调节问题 406 11.2.3　控制问题 407 11.3　反馈控制原理论述 407 11.3.1　开环控制和闭环控制 407 11.3.2　系统结构框图 409 11.3.3　系统增益和拉普拉斯变换 410 11.3.4　系统瞬态响应和频域表示 412 11.3.5　系统稳定性 413 11.4　反馈变换器模型 416 11.4.1　基本变换器动态性能 416 11.4.2　快速切换模型 418 11.4.3　分段线性模型 419 11.4.4　离散时间模型 419 11.5　dc-dc变换器的电压控制模式和 电流控制模式 420 11.5.1　电压控制模式 420 11.5.2　电流控制模式 423 11.5.3　电压控制模式和电流控制模式 中的大信号问题 426 11.6　基于比较器的整流系统控制 428 11.7　比例和比例-积分控制的应用 430 11.8　设计实例 432 11.8.1　电压控制模式及其性能 432 11.8.2　前馈补偿和偏移补偿 433 11.8.3　电动汽车控制装置 434 11.9　应用情况讨论 435 11.10　回顾 436 习题 438 参考文献 441 附加书目 441 第12章 　控制建模与设计 443 12.1　简介 443 12.2　平均法及其模型 443 12.2.1　平均模型的公式 444 12.2.2　平均电路模型 450 12.3　小信号分析与线性化 451 12.3.1　线性模型的需求 451 12.3.2　获取线性模型 451 12.3.3　过程概括 453 12.4　基于线性化的控制与控制设计 455 12.4.1　传递函数 455 12.4.2　控制设计 459 12.4.3　补偿和滤波 463 12.4.4　补偿反馈实例 466 12.5　设计实例 470 12.5.1　升压变换器控制实例 470 12.5.2　电流模式控制的buck 变换器 473 12.5.3　电压模式控制的buck 变换器 475 12.6　应用讨论 477 12.7　回顾 478 习题 480 参考文献 482