高等电力电子技术
前言
第1章 电力电子半导体器件
1.1 电力电子器件发展概述
1.1.1 功率二极管
1.1.2 晶闸管
1.1.3 电力晶体管
1.2 功率MOSFET
1.2.1 沟槽型MOSFET
1.2.2 “超级结”结构
1.2.3 COOLMOS
1.3 绝缘栅双极型晶体管
1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术
1.3.2 穿通型IGBT
1.3.3 非穿通型IGBT
1.3.4 场终止型IGBT
1.3.5 其他新型IGBT
1.4 集成门极换向晶闸管的结构与工作原理
1.4.1 IGCT的结构和特点
1.4.2 IGCT的工作原理
1.5 电力电子器件新材料
1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件
1.5.2 砷化镓器件
1.5.3 金刚石电力电子器件
1.6 电力电子集成技术
1.6.1 集成技术的不同层次和形式
1.6.2 电力电子集成发展面临的技术问题
参考文献
第2章 电力电子拓扑基础
2.1 开关变换器拓扑概述
2.1.1 开关变换器的基本拓扑
2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元
2.1.3 基本开关变换器的拓扑组合规则
2.2 开关变换器拓扑的对偶法设计
2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则
2.2.2 开关变换器的对偶设计
2.3 开关变换器拓扑的三端开关模型法设计
2.3.1 基本DC?DC开关变换器“三端开关”模型电路
2.3.2 三端开关模型的软开关变换电路
2.3.3 PWM软开关变换器模型电路
2.4 开关变换器的拓扑叠加设计
2.4.1 基本开关变换器级联叠加的基本规则
2.4.2 基本开关变换器的级联叠加设计举例
2.4.3 DC DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化
2.4.4 DC AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计
参考文献
第3章 开关变换器的建模分析
3.1 概述
3.2 状态空间平均法
3.2.1 状态空间的基本定义
3.2.2 开关变换器的状态方程
3.2.3 连续导通模式下的状态空间平均法
3.2.4 不连续导通模式时的状态空间平均法
3.3 PWM开关模型法
3.3.1 PWM开关的基本定义
3.3.2 PWM开关的端口特性
3.3.3 PWM开关的等效电路模型
3.3.4 开关变换器的PWM开关模型
3.4 等效变压器法
3.4.1 开关电路的等效变压器描述
3.4.2 三相VSR等效变压器dq模型电路
3.4.3 三相VSR动静态特性分析
3.5 开关变换器离散平均模型
3.5.1 离散化原理和建模分析
3.5.2 开关变换器的离散平均模型
参考文献
……
第4章 控制系统设计
第5章 空间矢量脉宽调制技术
第6章 电力电子技术MATLAB仿真
第7章 软开关变换器
第8章 电力电子装置中的电磁器件与电磁兼容性
第9章 电力电子器件的热设计
附录
第1章 电力电子半导体器件
1.1 电力电子器件发展概述
1.1.1 功率二极管
1.1.2 晶闸管
1.1.3 电力晶体管
1.2 功率MOSFET
1.2.1 沟槽型MOSFET
1.2.2 “超级结”结构
1.2.3 COOLMOS
1.3 绝缘栅双极型晶体管
1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术
1.3.2 穿通型IGBT
1.3.3 非穿通型IGBT
1.3.4 场终止型IGBT
1.3.5 其他新型IGBT
1.4 集成门极换向晶闸管的结构与工作原理
1.4.1 IGCT的结构和特点
1.4.2 IGCT的工作原理
1.5 电力电子器件新材料
1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件
1.5.2 砷化镓器件
1.5.3 金刚石电力电子器件
1.6 电力电子集成技术
1.6.1 集成技术的不同层次和形式
1.6.2 电力电子集成发展面临的技术问题
参考文献
第2章 电力电子拓扑基础
2.1 开关变换器拓扑概述
2.1.1 开关变换器的基本拓扑
2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元
2.1.3 基本开关变换器的拓扑组合规则
2.2 开关变换器拓扑的对偶法设计
2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则
2.2.2 开关变换器的对偶设计
2.3 开关变换器拓扑的三端开关模型法设计
2.3.1 基本DC?DC开关变换器“三端开关”模型电路
2.3.2 三端开关模型的软开关变换电路
2.3.3 PWM软开关变换器模型电路
2.4 开关变换器的拓扑叠加设计
2.4.1 基本开关变换器级联叠加的基本规则
2.4.2 基本开关变换器的级联叠加设计举例
2.4.3 DC DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化
2.4.4 DC AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计
参考文献
第3章 开关变换器的建模分析
3.1 概述
3.2 状态空间平均法
3.2.1 状态空间的基本定义
3.2.2 开关变换器的状态方程
3.2.3 连续导通模式下的状态空间平均法
3.2.4 不连续导通模式时的状态空间平均法
3.3 PWM开关模型法
3.3.1 PWM开关的基本定义
3.3.2 PWM开关的端口特性
3.3.3 PWM开关的等效电路模型
3.3.4 开关变换器的PWM开关模型
3.4 等效变压器法
3.4.1 开关电路的等效变压器描述
3.4.2 三相VSR等效变压器dq模型电路
3.4.3 三相VSR动静态特性分析
3.5 开关变换器离散平均模型
3.5.1 离散化原理和建模分析
3.5.2 开关变换器的离散平均模型
参考文献
……
第4章 控制系统设计
第5章 空间矢量脉宽调制技术
第6章 电力电子技术MATLAB仿真
第7章 软开关变换器
第8章 电力电子装置中的电磁器件与电磁兼容性
第9章 电力电子器件的热设计
附录
前言
第1章 电力电子半导体器件1
1.1 电力电子器件发展概述1
1.1.1 功率二极管1
1.1.2 晶闸管3
1.1.3 电力晶体管4
1.2 功率MOSFET4
1.2.1 沟槽型MOSFET4
1.2.2 “超级结”结构5
1.2.3 COOLMOS6
1.3 绝缘栅双极型晶体管7
1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术8
1.3.2 穿通型IGBT9
1.3.3 非穿通型IGBT9
1.3.4 场终止型IGBT10
1.3.5 其他新型IGBT11
1.4 集成门极换向晶闸管的结构与工作原理11
1.4.1 IGCT的结构和特点11
1.4.2 IGCT的工作原理13
1.5 电力电子器件新材料14
1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件14
1.5.2 砷化镓器件18
1.5.3 金刚石电力电子器件18
1.6 电力电子集成技术18
1.6.1 集成技术的不同层次和形式19
1.6.2 电力电子集成发展面临的技术问题20
参考文献21
第2章 电力电子拓扑基础23
2.1 开关变换器拓扑概述23
2.1.1 开关变换器的基本拓扑23
2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元26
2.1.3 基本开关变换器的拓扑组合规则28
2.2 开关变换器拓扑的对偶法设计33
2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则33
2.2.2 开关变换器的对偶设计37
2.3 开关变换器拓扑的三端开关模型法设计45
2.3.1 基本DCDC开关变换器“三端开关”模型电路45
2.3.2 三端开关模型的软开关变换电路48
2.3.3 PWM软开关变换器模型电路53
2.4 开关变换器的拓扑叠加设计54
2.4.1 基本开关变换器级联叠加的基本规则55
2.4.2 基本开关变换器的级联叠加设计举例56
2.4.3 DC DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化58
2.4.4 DC AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计62
参考文献67
第3章 开关变换器的建模分析69
3.1 概述69
3.2 状态空间平均法70
3.2.1 状态空间的基本定义71
3.2.2 开关变换器的状态方程72
3.2.3 连续导通模式下的状态空间平均法77
3.2.4 不连续导通模式时的状态空间平均法78
3.3 PWM开关模型法83
3.3.1 PWM开关的基本定义83
3.3.2 PWM开关的端口特性84
3.3.3 PWM开关的等效电路模型85
3.3.4 开关变换器的PWM开关模型86
3.4 等效变压器法89
3.4.1 开关电路的等效变压器描述89
3.4.2 三相VSR等效变压器dq模型电路91
3.4.3 三相VSR动静态特性分析94
3.5 开关变换器离散平均模型104
3.5.1 离散化原理和建模分析105
3.5.2 开关变换器的离散平均模型106
参考文献110
第4章 控制系统设计113
4.1 引言113
4.2 控制结构设计114
4.2.1 问题的提出114
4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计117
4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计121
4.3 调节器结构设计124
4.3.1 问题提出125
4.3.2 同步坐标系下的调节器结构设计126
4.3.3 静止坐标系下的调节器结构设计132
4.3.4 不同坐标系下调节器结构比较134
4.4 控制系统调节器参数设计136
4.4.1 基于连续域的调节器参数设计137
4.4.2 基于离散域的调节器参数设计143
参考文献158
第5章 空间矢量脉宽调制技术160
5.1 二维空间矢量脉宽调制技术160
5.1.1 三相VSR空间电压矢量分布163
5.1.2 空间电压矢量的合成164
5.2 三维空间矢量脉宽调制技术166
5.2.1 三维空间矢量概述167
5.2.2 三相四桥臂逆变器的静止电压矢量167
5.2.3 三维空间矢量轨迹合成169
5.3 三电平空间矢量PWM技术175
5.3.1 三电平空间矢量概述175
5.3.2 查表式SVPWM矢量发生177
5.3.3 基于参考电压分解的SVPWM简化算法182
5.4 三值逻辑空间矢量PWM技术189
5.4.1 三值逻辑PWM信号发生190
5.4.2 三值逻辑空间矢量PWM信号发生192
5.4.3 低电压应力三值逻辑PWM信号发生197
参考文献202
第6章 电力电子技术MATLAB仿真204
6.1 概述204
6.1.1 电力电子系统的仿真204
6.1.2 电力电子技术常用仿真软件205
6.2 Simulink仿真技术与模型库207
6.2.1 Simulink仿真环境208
6.2.2 Simulink模型库简介222
6.2.3 PowerSystem模型库简介223
6.3 电力电子典型器件的MATLAB仿真224
6.3.1 电力二极管的仿真225
6.3.2 晶闸管的仿真227
6.3.3 门极可关断晶闸管的仿真230
6.3.4 绝缘栅双极型晶体管的仿真232
6.4 电力电子典型电路的MATLAB仿真235
6.4.1 直流斩波电路的仿真235
6.4.2 三相逆变电路的仿真238
6.4.3 三相桥式整流电路的仿真242
6.4.4 交流调压电路的仿真246
6.5 电力电子典型系统的仿真247
6.5.1 引言247
6.5.2 直流斩波电路控制系统的仿真248
6.5.3 三相逆变电路控制系统的仿真251
参考文献260
第7章 软开关变换器261
7.1 概述261
7.1.1 功率器件的开关过程262
7.1.2 软开关的分类及特征262
7.2 零转换PWM变换器266
7.2.1 基本的零电压转换PWM变换器266
7.2.2 改进的零电压转换PWM变换器267
7.2.3 基本的零电流转换PWM变换器269
7.2.4 改进的零电流转换PWM变换器271
7.2.5 零转换PWM变换器的应用273
7.3 移相控制ZVSPWM全桥变换器276
7.3.1 移相控制ZVSPWM全桥变换器工作原理276
7.3.2 移相控制ZVSPWM全桥变换器软开关实现条件278
7.3.3 移相控制ZVSPWM全桥变换器的占空比丢失279
7.3.4 移相控制ZVSPWM全桥变换器的优缺点分析280
7.4 移相控制ZVZCSPWM全桥变换器280
7.4.1 变压器一次侧加饱和电感和隔直电容的ZVZCS变换器281
7.4.2 二次侧有源钳位ZVZCS全桥变换器285
7.4.3 其他典型ZVZCS全桥变换器289
参考文献295
第8章 电力电子装置中的电磁器件与电磁兼容性297
8.1 概述297
8.2 电磁器件的特点和基本概念298
8.2.1 磁性材料的特性298
8.2.2 磁性材料的工作状态299
8.2.3 几种常用磁性材料299
8.2.4 电力电子装置中的常用电磁器件300
8.3 电磁器件的设计304
8.3.1 变压器设计304
8.3.2 电抗器设计306
8.3.3 高频电磁器件的设计举例308
8.4 磁性器件的测试311
8.4.1 变压比测量311
8.4.2 极性测试312
8.4.3 输入阻抗测试312
8.4.4 电感与漏感测试313
8.4.5 变压器绝缘电阻和抗电强度测试317
8.4.6 温升测试方法317
8.5 电力电子装置中的电磁兼容问题318
8.5.1 电力电子技术中电磁干扰问题318
8.5.2 电力电子技术中电磁干扰与电磁兼容标准319
8.5.3 电力电子装置中的电磁干扰源320
8.5.4 电力电子技术中的电磁兼容设计325
参考文献334
第9章 电力电子器件的热设计336
9.1 稳态热阻与瞬态热阻336
9.1.1 稳态热阻336
9.1.2 瞬态热阻339
9.2 耗散功率与结温340
9.2.1 开关器件的功率损耗340
9.2.2 VVVF变频器中功率器件耗散功率的分析343
9.2.3 结温344
9.3 散热器常用的冷却方式及特点346
参考文献351
附录352
第1章 电力电子半导体器件1
1.1 电力电子器件发展概述1
1.1.1 功率二极管1
1.1.2 晶闸管3
1.1.3 电力晶体管4
1.2 功率MOSFET4
1.2.1 沟槽型MOSFET4
1.2.2 “超级结”结构5
1.2.3 COOLMOS6
1.3 绝缘栅双极型晶体管7
1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术8
1.3.2 穿通型IGBT9
1.3.3 非穿通型IGBT9
1.3.4 场终止型IGBT10
1.3.5 其他新型IGBT11
1.4 集成门极换向晶闸管的结构与工作原理11
1.4.1 IGCT的结构和特点11
1.4.2 IGCT的工作原理13
1.5 电力电子器件新材料14
1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件14
1.5.2 砷化镓器件18
1.5.3 金刚石电力电子器件18
1.6 电力电子集成技术18
1.6.1 集成技术的不同层次和形式19
1.6.2 电力电子集成发展面临的技术问题20
参考文献21
第2章 电力电子拓扑基础23
2.1 开关变换器拓扑概述23
2.1.1 开关变换器的基本拓扑23
2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元26
2.1.3 基本开关变换器的拓扑组合规则28
2.2 开关变换器拓扑的对偶法设计33
2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则33
2.2.2 开关变换器的对偶设计37
2.3 开关变换器拓扑的三端开关模型法设计45
2.3.1 基本DCDC开关变换器“三端开关”模型电路45
2.3.2 三端开关模型的软开关变换电路48
2.3.3 PWM软开关变换器模型电路53
2.4 开关变换器的拓扑叠加设计54
2.4.1 基本开关变换器级联叠加的基本规则55
2.4.2 基本开关变换器的级联叠加设计举例56
2.4.3 DC DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化58
2.4.4 DC AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计62
参考文献67
第3章 开关变换器的建模分析69
3.1 概述69
3.2 状态空间平均法70
3.2.1 状态空间的基本定义71
3.2.2 开关变换器的状态方程72
3.2.3 连续导通模式下的状态空间平均法77
3.2.4 不连续导通模式时的状态空间平均法78
3.3 PWM开关模型法83
3.3.1 PWM开关的基本定义83
3.3.2 PWM开关的端口特性84
3.3.3 PWM开关的等效电路模型85
3.3.4 开关变换器的PWM开关模型86
3.4 等效变压器法89
3.4.1 开关电路的等效变压器描述89
3.4.2 三相VSR等效变压器dq模型电路91
3.4.3 三相VSR动静态特性分析94
3.5 开关变换器离散平均模型104
3.5.1 离散化原理和建模分析105
3.5.2 开关变换器的离散平均模型106
参考文献110
第4章 控制系统设计113
4.1 引言113
4.2 控制结构设计114
4.2.1 问题的提出114
4.2.2 基于LCL的VSR内环结构设计117
4.2.3 基于LC的VSI内环结构设计121
4.3 调节器结构设计124
4.3.1 问题提出125
4.3.2 同步坐标系下的调节器结构设计126
4.3.3 静止坐标系下的调节器结构设计132
4.3.4 不同坐标系下调节器结构比较134
4.4 控制系统调节器参数设计136
4.4.1 基于连续域的调节器参数设计137
4.4.2 基于离散域的调节器参数设计143
参考文献158
第5章 空间矢量脉宽调制技术160
5.1 二维空间矢量脉宽调制技术160
5.1.1 三相VSR空间电压矢量分布163
5.1.2 空间电压矢量的合成164
5.2 三维空间矢量脉宽调制技术166
5.2.1 三维空间矢量概述167
5.2.2 三相四桥臂逆变器的静止电压矢量167
5.2.3 三维空间矢量轨迹合成169
5.3 三电平空间矢量PWM技术175
5.3.1 三电平空间矢量概述175
5.3.2 查表式SVPWM矢量发生177
5.3.3 基于参考电压分解的SVPWM简化算法182
5.4 三值逻辑空间矢量PWM技术189
5.4.1 三值逻辑PWM信号发生190
5.4.2 三值逻辑空间矢量PWM信号发生192
5.4.3 低电压应力三值逻辑PWM信号发生197
参考文献202
第6章 电力电子技术MATLAB仿真204
6.1 概述204
6.1.1 电力电子系统的仿真204
6.1.2 电力电子技术常用仿真软件205
6.2 Simulink仿真技术与模型库207
6.2.1 Simulink仿真环境208
6.2.2 Simulink模型库简介222
6.2.3 PowerSystem模型库简介223
6.3 电力电子典型器件的MATLAB仿真224
6.3.1 电力二极管的仿真225
6.3.2 晶闸管的仿真227
6.3.3 门极可关断晶闸管的仿真230
6.3.4 绝缘栅双极型晶体管的仿真232
6.4 电力电子典型电路的MATLAB仿真235
6.4.1 直流斩波电路的仿真235
6.4.2 三相逆变电路的仿真238
6.4.3 三相桥式整流电路的仿真242
6.4.4 交流调压电路的仿真246
6.5 电力电子典型系统的仿真247
6.5.1 引言247
6.5.2 直流斩波电路控制系统的仿真248
6.5.3 三相逆变电路控制系统的仿真251
参考文献260
第7章 软开关变换器261
7.1 概述261
7.1.1 功率器件的开关过程262
7.1.2 软开关的分类及特征262
7.2 零转换PWM变换器266
7.2.1 基本的零电压转换PWM变换器266
7.2.2 改进的零电压转换PWM变换器267
7.2.3 基本的零电流转换PWM变换器269
7.2.4 改进的零电流转换PWM变换器271
7.2.5 零转换PWM变换器的应用273
7.3 移相控制ZVSPWM全桥变换器276
7.3.1 移相控制ZVSPWM全桥变换器工作原理276
7.3.2 移相控制ZVSPWM全桥变换器软开关实现条件278
7.3.3 移相控制ZVSPWM全桥变换器的占空比丢失279
7.3.4 移相控制ZVSPWM全桥变换器的优缺点分析280
7.4 移相控制ZVZCSPWM全桥变换器280
7.4.1 变压器一次侧加饱和电感和隔直电容的ZVZCS变换器281
7.4.2 二次侧有源钳位ZVZCS全桥变换器285
7.4.3 其他典型ZVZCS全桥变换器289
参考文献295
第8章 电力电子装置中的电磁器件与电磁兼容性297
8.1 概述297
8.2 电磁器件的特点和基本概念298
8.2.1 磁性材料的特性298
8.2.2 磁性材料的工作状态299
8.2.3 几种常用磁性材料299
8.2.4 电力电子装置中的常用电磁器件300
8.3 电磁器件的设计304
8.3.1 变压器设计304
8.3.2 电抗器设计306
8.3.3 高频电磁器件的设计举例308
8.4 磁性器件的测试311
8.4.1 变压比测量311
8.4.2 极性测试312
8.4.3 输入阻抗测试312
8.4.4 电感与漏感测试313
8.4.5 变压器绝缘电阻和抗电强度测试317
8.4.6 温升测试方法317
8.5 电力电子装置中的电磁兼容问题318
8.5.1 电力电子技术中电磁干扰问题318
8.5.2 电力电子技术中电磁干扰与电磁兼容标准319
8.5.3 电力电子装置中的电磁干扰源320
8.5.4 电力电子技术中的电磁兼容设计325
参考文献334
第9章 电力电子器件的热设计336
9.1 稳态热阻与瞬态热阻336
9.1.1 稳态热阻336
9.1.2 瞬态热阻339
9.2 耗散功率与结温340
9.2.1 开关器件的功率损耗340
9.2.2 VVVF变频器中功率器件耗散功率的分析343
9.2.3 结温344
9.3 散热器常用的冷却方式及特点346
参考文献351
附录352
《高等电力电子技术》是编者根据电力电子技术教学与科研经验，在学习、研究国内外教材及相关参考文献的基础上编写而成的，适用于“电力电子技术”课程的研究生教学，是对相关本科教材的深入与完善。本书以“电力电子技术”理论为基础，从电力电子系统研究与技术角度出发，深入浅出地讨论了电力电子器件、电力电子拓扑基础、开关变换器的建模、控制系统设计、空间矢量PWM 技术、电力电子技术MATLAB仿真、软开关变换器、电力电子装置中的电磁器件与电磁兼容以及电力电子器件的热设计等内容，为电力电子功率变换系统的研究提供了理论基础。
《高等电力电子技术》可作为电气工程及自动化等专业和相关研究方向的研究生课程教材，同时也可作为本科生和从事电力电子技术及相关研究的工程技术人员的参考书。
《高等电力电子技术》可作为电气工程及自动化等专业和相关研究方向的研究生课程教材，同时也可作为本科生和从事电力电子技术及相关研究的工程技术人员的参考书。
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