中大功率开关变换器

本书对中大功率开关变换器系统的多学科方面进行了有关讨论，包括基本的电力电子技术、数字控制和硬件、传感器、模拟信号的预处理、保护器件和故障管理、脉冲宽度调制（PWM）算法、中大功率的开关变换器等。本书适合从事电力电子技术设计与制造的工程技术人员阅读，也可作为电气自动控制技术相关专业的本科生和研究生的参考书。

Dorin O.Neacsu，PhD（IEEE M95，SM00）分别于1988和1994在罗马尼亚雅西科技大学获得电子硕士和博士学位。Neacsu博士还拥有美国马萨诸塞州梅德福塔夫斯大学（Tufts University）戈登研究所的工程管理硕士学位。
Neacsu博士在罗马尼亚雅西科技大学的TAGCM-SUT从1988年到1990年度过了他的强制性工业试用期。并在1990~1999年，在罗马尼亚的雅西科技大学电子系任副教授。在这期间，他还是加拿大位于Trois河畔的魁北克大学、美国通用汽车/德尔福、印第安纳波利斯、印第安娜的访问学者。Neacsu博士从1999年8月~2006年6月在美国工业界持有不同的位置（咨询顾问、工程师、产品经理），分别在靠前整流器（IR）公司、Satcon技术公司和Azure Dynamics/Solectria公司工作过。他在优选的栅极驱动器、同步热插拔、并联三相电源变换器和交错式功率变换器等工作领域做出了创新性的工作。自2006年8月后，Neacsu博士在多个美国学术机构，包括新奥尔良大学、麻省理工学院和美国联合技术研究中心作访问学者或做短期工作。目前，Neacsu博士是罗马尼亚雅西科技大学的副教授。
Neacsu博士已在IEEE学报、会议和其他的靠前期刊发表过80多篇论文和研究报告，并在各大洲举办的IEEE会议作了7场技术报告。他拥有三项美国专利，在加拿大和罗马尼亚与同事合作写了几本大学教材，并著有《功率变换器的仿真建模》一书。Neacsu博士是IEEE不错会员，曾担任多个IEEE学报的评论员，并在不同IEEE会议的技术程序委员会或组织委员会担任委员。他的主要研究工作集中在静态功率变换器、功率半导体器件、PWM算法、微处理器控制和功率变换器的仿真与建模。

译者序
原书前言
致谢
作者简介
第1章中大功率开关变换器简介1
1.1中大功率变换器市场1
1.1.1技术现状1
1.1.2交通电气化系统3
1.1.3传统工业中的应用5
1.2本书主要内容6
1.3可调速驱动器8
1.3.1AC-DC变换器8
1.3.2中间电路9
1.3.3直流电容器组9
1.3.4软充电电路10
1.3.5直流电抗器10
1.3.6制动电路10
1.3.7三相逆变器11
1.3.8保护电路11
1.3.9传感器11
1.3.10电动机的连接11
1.3.11控制器12
1.4电网接口或分布式发电13
1.4.1电网谐波14
1.4.2功率因数14
1.4.3直流电流注入14
1.4.4电磁兼容性和电磁干扰15
1.4.5频率和电压变化16
1.4.6低压电网的最大连接功率16
1.5多变换器电力电子系统16
1.6总结18
参考文献18
第1部分传统功率变换器
第2章大功率半导体器件20
2.1功率半导体市场现状20
2.2功率MOSFET23
2.2.1工作原理23
2.2.2控制29
2.3IGBT30
2.3.1工作原理30
2.3.2控制及栅极驱动34
2.3.3保护39
2.4功率损耗估算41
2.5有源栅极驱动电路42
2.6GTO晶闸管45
2.7先进功率器件45
2.7.1特种器件45
2.7.2高频、高电压器件46
2.7.3采用新基板材料的器件47
2.8数据手册信息48
问题50
参考文献50
第3章基本三相逆变器53
3.1用作简单开关的大功率器件53
3.2逆变器引脚与感性负载工作54
3.3什么是PWM算法56
3.4基本三相电压源逆变器的工作原理与功能60
3.5性能指标的定义和在不同国家使用的术语65
3.5.1频率分析66
3.5.2三相变换器的调制指数67
3.5.3性能指标67
3.6利用逆变器波形直接计算谐波频谱70
3.6.1准矩形波形分解70
3.6.2矢量法71
3.7三相逆变器的预编程PWM72
3.7.1用于单相逆变器的编程PWM73
3.7.2用于三相逆变器的编程PWM75
3.7.3二进制编程的PWM76
3.8三相逆变器的开关函数建模77
3.9电动机驱动电源变换器中的制动脚78
3.10AC-DC-AC电源变换器中的直流母线电容器79
3.11总结81
问题82
参考文献82
第4章基于载波的PWM和工作限制84
4.1载波PWM算法：历史的重要性84
4.2改进基准信号基于载波的PWM算法88
4.3压/频驱动中使用的PWM：根据要求的电流谐波系数选择脉冲数92
4.3.1工作于低频范围92
4.3.2工作于高频范围94
4.4采用载波PWM实现谐波抑制94
4.5工作限制：最小脉冲宽度96
4.5.1利用谐波注入避免脉冲下降101
4.6工作限制106
4.6.1死区时间106
4.6.2零电流钳位110
4.6.3过调制110
4.7总结112
问题112
参考文献113
第5章用于基本三相逆变器的矢量PWM115
5.1空间矢量理论回顾115
5.1.1概念的历史和演变115
5.1.2理论：矢量变换和优势116
5.1.3三相控制系统的应用119
5.2三相逆变器的矢量分析120
5.2.1在复平面6步工作电流空间矢量轨迹的数学推导120
5.2.2磁通矢量和理想磁通轨迹的定义124
5.3SVM理论：通过有源和零状态平均时间间隔的推导125
5.4自适应SVM：直流纹波补偿127
5.5连接到矢量控制：在（d，q）坐标系中不同形式和时间间隔方程表达式127
5.6开关基准函数的定义130
5.7开关序列的定义133
5.7.1连续基准函数：不同的方法133
5.7.2用于降低开关损耗的不连续基准函数136
5.8不同矢量PWM之间的比较143
5.8.1损耗特性143
5.8.2THD/HCF的比较143
5.9SVM的过调制144
5.10PWM逆变器的V/Hz控制145
5.10.1低频工作模式146
5.10.2高频工作模式147
5.11改善高速变换器的瞬态响应148
5.12总结154
问题155
参考文献156
第6章构建三相功率变换器的实践159
6.1三相逆变器中功率器件的选择159
6.1.1电动机驱动159
6.1.2电网应用159
6.2保护160
6.2.1过电流保护160
6.2.2熔断器保护163
6.2.3过温度保护167
6.2.4过电压保护167
6.2.5缓冲电路168
6.2.6栅极驱动器故障176
6.3系统保护管理176
6.4通过逆变器技术降低共模EMI177
6.5取决于功率等级的传统逆变器典型构建结构180
6.5.1功率半导体器件的封装181
6.5.2变换器的封装183
6.5.3外壳183
6.6辅助电源185
6.6.1技术要求185
6.6.2用于电源的集成电路186
6.6.3反激式开关电源变换器的工作188
6.7总结190
问题190
参考文献191
第7章热管理与可靠性193
7.1热管理193
7.1.1理论193
7.1.2瞬态热阻抗195
7.2可靠性和寿命定义理论198
7.3故障和寿命200
7.3.1系统故障率200
7.3.2器件故障率200
7.3.3用于电力电子系统不同元器件的失效率202
7.3.4功率半导体器件的故障模式203
7.3.5功率半导体器件的损耗机制203
7.4寿命计算与建模204
7.4.1问题的提出204
7.4.2电子设备的加速测试205
7.4.3物理故障建模210
7.5标准和软件工具210
7.5.1标准210
7.5.2软件工具211
7.6半导体厂商的可靠性测试213
7.7可靠性设计213
7.8总结214
参考文献215
第8章PWM算法的实现218
8.1模拟PWM控制器218
8.2混合工作模式电动机控制器集成电路220
8.3计数器的数字结构：FPGA实现221
8.3.1数字PWM控制器工作原理221
8.3.2总线兼容的数字PWM接口224
8.3.3SVM控制器的FPGA实现225
8.3.4死区时间数字控制器228
8.4通用和专用数字处理器市场228
8.4.1在功率变换器控制中使用微处理器/微控制器的历史228
8.4.2用于功率变换器控制的DSP231
8.4.3多处理器结构的并行处理233
8.5低成本微控制器的软件实现234
8.5.1计数器定时的软件控制234
8.5.2时间间隔常数计算234
8.6有功率变换器接口的微控制器239
8.7电动机控制协处理器240
8.8在TI公司的DSP中使用事件管理器240
8.8.1事件管理器结构240
8.8.2载波PWM的软件实现241
8.8.3SVM的软件实现242
8.8.4SVM的硬件实现243
8.8.5死区时间245
8.8.6每个PWM通道245
8.9使用闪存246
8.10PWM实现的分辨率和精度248
8.11总结250
参考文献251
第9章闭环控制的实际应用253
9.1作用和原理图253
9.2电流测量——与PWM同步253
9.2.1并联电阻253
9.2.2霍尔传感器255
9.2.3电流互感器256
9.2.4同步PWM256
9.3电流采样率——过采样257
9.4（a，b，c）坐标系中的电流控制258
9.5电流变换(3→2)变换的软件计算260
9.6（d，q）坐标系中的电流控制-模型-PI校准261
9.7抗饱和保护——输出限制和范围定义263
9.8总结263
参考文献264
第10章IPM265
10.1市场和技术考虑265
10.1.1历史265
10.1.2优点和缺点266
10.1.3IGBT芯片267
10.1.4栅极驱动器268
10.1.5封装269
10.1.6其他方法270
10.2IPM可用性的审查270
10.3IPM器件的使用273
10.3.1本地电源273
10.3.2再生能量钳位276
参考文献276
第2部分其他拓扑结构
第11章谐振三相变换器278
11.1通过谐振与先进PWM器件降低开关损耗278
11.2是否还会从谐振大功率变换器中得到好处280
11.3IGBT器件的零电压过渡283
11.3.1工作于ZVS的功率半导体器件283
11.3.2降压变换286
11.3.3升压功率变换289
11.3.4双向功率传输292
11.4IGBT器件的零电流过渡293
11.4.1工作于零电流开关的功率半导体器件293
11.4.2降压变换295
11.4.3升压变换297
11.5准谐振变换器的可能拓扑结构300
11.5.1极电压300
11.5.2谐振直流总线300
11.6三相谐振变换器专用PWM302
问题302
参考文献302
第12章元器件小型化的三相功率变换器304
12.1减少元器件数量的解决方案304
12.1.1新逆变器拓扑结构304
12.1.2直接变换器307
12.2B4逆变器308
12.2.1B4逆变器的矢量分析308
12.2.2对B4逆变器PWM算法的定义313
12.2.3直流电压变化的影响和相应的补偿方法314
12.3用于两相感应电动机的馈电两引脚变换器317
12.4Z源逆变器318
12.5总结321
参考文献321
第13章基于三相电压源变换器的AC-DC电网接口322
13.1特性-控制目标-有功功率控制322
13.2控制系统中PWM的意义326
13.2.1单开关应用326
13.2.26开关变换器335
13.2.3有电流注入器件的拓扑340
13.3闭环电流控制法343
13.3.1简介343
13.3.2PI电流环343
13.3.3瞬态响应时间344
13.3.4电压（vd，vq）的限制345
13.3.5最小时间电流控制345
13.3.6交叉耦合项347
13.3.7d轴全可用电压的使用349
13.3.8开关表和滞后控制350
13.3.9相电流跟踪方法352
13.4电网同步360
问题362
参考文献362
第14章并联和交错式功率变换器365
14.1基于多个低功率器件并联解决方案和大功率器件构建的变换器的比较365
14.2IGBT器件并联的硬件约束367
14.3用于等电流均流的栅极控制电路设计370
14.4使用并联器件的并联逆变器引脚的优缺点371
14.4.1相间电抗器372
14.4.2控制系统373
14.4.3变换器控制解决方案373
14.4.4电流控制375
14.4.5并联变换器系统（d，q）控制的小信号模型375
14.4.6（d，q）与（d，q，0）控制378
14.5功率变换器的交错工作378
14.6循环电流380
14.7PWM算法选择382
14.8系统控制器383
14.9总结384
问题385
参考文献385
第15章AC-DC和DC-AC电流源变换器387
15.1简介387
15.2电流换向388
15.3使用开关函数来定义电路工作390
15.4PWM控制394
15.4.1梯形调制394
15.4.2谐波消除编程调制395
15.4.3正弦调制396
15.4.4SVM397
15.5PWM算法优化399
15.5.1最小二次方误差400
15.5.2圆形轮廓400
15.5.3降低来自几何轨迹的低次谐波400
15.5.4比较结果400
15.6电流源逆变器-滤波器组合的交流侧谐振403
15.7总结405
参考文献405
第16章9开关拓扑的AC-AC矩阵变换器407
16.1背景407
16.2功率开关的实现410
16.3电流换向411
16.4无功功率钳位413
16.5PWM算法413
16.5.1基于PWM的正弦载波413
16.5.2考虑所有可能开关矢量的SVM417
16.5.3仅考虑固定矢量的SVM420
16.5.4间接矩阵变换器427
16.5.5PWM控制实现428
16.6总结431
参考文献432
第17章多电平变换器434
17.1工作原理和硬件拓扑结构434
17.1.1H桥模块434
17.1.2飞跨电容多电平变换器435
17.1.3二极管钳位多电平变换器437
17.1.4组合变换器439
17.2设计和评价注意事项440
17.2.1半导体额定值440
17.2.2无源滤波器440
17.3PWM算法441
17.3.1工作原理441
17.3.2正弦PWM441
17.3.3SVM445
17.3.4谐波消除446
17.4应用细节447
17.4.1ＨＶＤＣ线路447
17.4.2柔性交流输电系统448
17.4.3电动机驱动448
参考文献448
第18章在“开关网络”概念中使用IPM450
18.1用于扩展功率范围的电网接口450
18.2采用电压源逆变器功率模块的矩阵变换器456
18.2.1采用电压源逆变器模块的常规矩阵变换器封装456
18.2.2采用电压源逆变器模块的并矢矩阵变换器457
18.3由多个功率模块构成的多电平变换器460
18.4功率模块的新拓扑构建及其应用461
18.4.1周波变换器461
18.4.2控制系统465
18.4.3PWM发生器467
18.5广义矢量变换469
18.6采用基于IGBT的AC-AC直接变换器IPM构建电流源逆变器模块473
18.6.1硬件开发473
18.6.2产品要求474
18.6.3性能477
18.7利用基于MATLAB的数百万FFT分析直接AC-AC变换器479
18.7.1直接或矩阵变换器谐波分析介绍479
18.7.2参数选择482
18.7.3MATLAB中的FFT485
18.7.4直接变换器分析486
18.7.5多点THD和HCF分析自动化490
18.7.6计算机性能评价493

电力电子技术是致力于电能变换的一个电子技术分支。这个变换包括适应多种应用的电能变换，如电源电压或电流的变换、电气传动、电力系统有源滤波、分布式发电和智能电网、电化学过程、感应加热、照明和烹饪控制、分布式发电和海军或汽车电子。这个很广泛的应用促进了其研究和开发，每天都有电力硬件新控制方法推出。中、大功率变换器系统要求基本电力电子等多学科知识，例如数字控制和硬件、传感器、信号的模拟预处理、热管理、可靠性、保护装置和故障管理，或数学演算。    由于对同一概念有许多不同的技术解决方案，这使得为执业工程师或学生跟踪新的发展或在给定的时间内找到最合适的解决方案变得有点困难。这使得在开发一个推理问题的基础上，对系统层次的理解而不是针对百科全书收集的解决方案要更容易。这自然将问题从“如何做”变成了“如何做得更好”。因此，一个涉及工业活动的好工程师需要了解技术的演进、市场时机、元器件的可用性和技术的循环、社会环境和可靠性要求，所有这些都和经典的现代电路设计有关。图书馆和书店提供了大量关于电力电子技术的书籍，这些书籍没有太深入技术开发实践方面的内容，主要是一些侧重于理论性的学术教材。    其他出版物也提供了多种设计方案，这些设计方案被分为百科全书式的手册。给出了在工业界和学术界关注的边缘多学科知识的需要，并且给出了大量应用的各种技术资料，提供的这些技术应用资料往往超出了手册提供的范围。    相反地，本书提供了一个技术回顾，而不是各种设计步骤的集合。为读者提供了重要成就的历史信息，当今业界的预期，从激进到渐进式解决方案的技术演进，S曲线和技术开发周期内的技术成果，以及可靠性设计或标准的现代要求。所有这些使本书有别于图书馆书架上的书，本书以一个非常独特的技术视角看待电力电子系统技术。这样，开发的决策并非完全取决于对电路进行调查然后再做出决策，而需要考虑到许多其他技术相关的标准。    本书也可以被看成是一个中大功率变换器尖端领域以精确方式的技术文摘，有大量的实例和参考文献。从过去的25年中世界各地出版的众多论文、专利、研究报告中介绍的有关方法，大都是相关行业已被选定为技术演进的样本。在电力电子技术和性能的改进的每个话题都给予强调和公正评价，并证明其在电力电子技术史上的地位。这本书最重要的焦点是专用的PWM算法，希望本书很好地表达了这一概念。    从简单的事实陈述到前沿研究课题，无需读者在电气工程或电力电子技术有很深的技术背景。在本书第1部分的章节结束部分留有有关问题以帮助读者提高学习效果。本书结合理论和实例，是作者多年来在不同大学教学的结果及作者大量来自工业“实践”的第一手经验。    本书首先概述了工作于中高功率工业电源变换器和功率半导体，介绍了包括市场的有关内容。在本书第2章简要对功率半导体技术回顾后，本书第3~5章通过对工作于脉冲宽度调制（PWM）的传统三相逆变器，定义了传统三相逆变器的基本工作。第6~10章结合许多实例，基于现有的工业平台主要介绍了有关具体实现的实际问题。本书第11~17章主要介绍来了其他特殊三相拓扑及有关控制。第14章介绍了一个在过去几年中已被更频繁使用，利用传统低功率变换器来实现更高的功率的解决方案。常用三相逆变器并联或交错运行有助于通过多个在市场上可以得到的低功率单元电路来提高变换器的功率容量。    最后，受益于IPM工作可靠性的提高和损耗的降低，本书第18章给出了未来采用开关网络的概念，给出了采用IPM作为构建模块的概念来构建新颖变换器拓扑结构有关研究课题的构思。作者相信开关网络概念可以代表当代电力电子从双极晶体管到集成电路的过渡，类似于20世纪70年代模拟电子技术过渡的年代。    本书涵盖了当代关心的三相中、大功率DC-AC或AC-DC变换的相关主题，本书可以作为研究生的教材或作为业内工程师在工作中的参考书。