高清PDF带书签《功率变换开关技术（修订版）电力电子的核心理论》金东海、孙向东、杨耕

电力电子技术在电力系统、新能源发电、电动汽车、电力牵引以及家用电器等众多领域快速发展，电力电子化已成为一种发展趋势。然而现在大多数电力电子技术教材是由既成技术的集合体形成的，从而造成教材内容缺少理论及体系化的现实。在此背景下，编写一本具备理论及体系化且适应电力电子技术发展需求和人才培养需求的教科书，显得尤为重要。
本书首先概述电力电子变换技术的基础原理及概况，其次说明半导体开关器件原理及其用法，对功率变换方法进行了分类，并形成体系化。然
后对直流一直流变换、直流-交流变换、交流-直流变换和交流一交流变换四大类电路进行分析，并讨论像软开关等其他开关技术。最后列举说明电力电子技术在各种系统中的应用。
本书可作为电气信息类专业高年级本科生以及研究生的教材，也可作为电气自动化领域科技工作者的参考用书。

1957 年7 月， 美国GE 公司开发出晶闸管产品（ 当时称为可控硅， Silicon Controlled Rectifier， SCR）。同年4 月起， 作者作为日本东京大学的一名硕士生， 开始在恩师山田直平教授的研究室学习。作为当代日本的水银整流器技术第一人， 山田教授很早从GE 公司得到了晶闸管， 并着手对其特性进行分析、评价和应用研究。从那一年起， 电力电子时代拉开序幕。勤奋钻研水银整流器技术的人们对该项新的发明满怀期待， 同时为新时代的到来而欢呼雀跃。作者亲眼目睹了那时的情景。之后， 电力电子技术的发展突飞猛进， 逐步成为了所有产业领域的中心技术之一。2003 年， 作者曾写了本书的第1 版， 并由日本电气学会出版。10 年来伴随技术的进步， 作者研究了功率变换相关的基础原理， 并添加到了修订版之中。尽管完成度多少还有些不足， 但作者相信修订版已能达到构建体系化理论的目标， 并确信它将有助于今后电气技术教育的改善与发展。
2003 年写了本书第1 版以来， 作者一直从学术的观点上对电力电子学的教育方法进行推敲， 并考虑有必要对图1 所示的电气工程教育课程进行修订。
近年来， 随着电力电子技术广泛应用于电气应用领域， 电气工程已经进入了电力电子时代。因此， 电气工程的教育也应以此为中心进行开展。电力电子学的核心是以开关为基础的功率变换技术， 所以作者将它命名为《功率变换开关技术》。其后， 作为它的应用技术可以有《电气设备》和《电力技术（发输配电）》等教科书。而全体技术的前提则是“电力电子学”。图1 的右图表示了作者提出的教育课程的方向。
首先， 电力电子技术适用于所有的电力应用装置， 也可以说它是应用以功率变换而组成的高性能电源的综合技术。譬如， 现在直流电机衰退， 交流调速旋转电机盛行， 因此《电机设备学》不仅要讨论商用电源驱动的特性，而且也必须探讨高性能电源驱动交流调速电机的功能。所以， 从顺序上讲，应该先学习功率变换开关技术， 然后学习现代电机。在此之外， 电力电子技术既是新发展起来的再生能源利用的推动力， 也是实现高性能输配变电的基础技术， 所以它是论述所谓智能电网的必需技术。因此， 它也是今后发输配电的主要技术。综上所述， 在大学的教科书中， 必须先学习电力电子中核心的功率变换开关技术。

内容索引：

目录 -8
本书中所用的主要变量符号及主要后缀符号 -3
第1章 电力电子变换技术的概况 1
1.1 开关和功率变换电路 1
1.2 功率变换原理 3
1.3 电力电子与功率变换电路 4
1.3.1 电压源和电流源的定义 5
1.3.2 功率变换器的输入输出特性 5
1.3.3 对变换电路的等价电源电路表示 6
1.3.4 等价电源和等价负载的分类 8
1.4 功率变换的系统构成 9
1.5 在电力电子中的应用 10
1.6 EMC问题 11
综合问题 12
第2章 半导体开关器件 13
2.1 硅半导体物理性质的基本内容 13
2.2 pn结和二极管 15
2.2.1 pn结二极管 15
2.2.2 pin二极管 18
2.2.3 少数载流子累积效应和异常电压 19
2.2.4 缓冲电路 20
2.2.5 缓冲电路设计 21
2.3 电力晶体管 22
2.4 晶闸管 24
2.4.1 4层结构pnpn器件的特征 24
2.4.2 唯一的他励关断器件 25
2.4.3 双向导通晶闸管——双向晶闸管 27
2.5 GTO晶闸管及GCT晶闸管 27
2.6 MOSFET 30
2.6.1 DMOSFET 31
2.6.2 TMOSFET 32
2.7 IGBT 33
2.7.1 沟槽型IGBT 34
2.7.2 PM和IPM 35
2.8 肖特基势垒二极管 37
2.9 开关器件的特性与分类 37
2.9.1 开关器件的基本特性 37
2.9.2 各种开关器件及其特征 39
2.9.3 二极管：状态控制器件 40
2.10 功率器件的使用方法 40
2.10.1 门极驱动 40
2.10.2 器件散热 41
2.10.3 异常电压保护 42
2.10.4 异常电流保护 42
综合问题 42
第3章 功率变换的内容分类及体系化 44
3.1 基本电路拓扑及SDA编号 44
3.2 功率变换方式分类 46
3.2.1 环路切换型功率变换 46
3.2.2 电源切换型功率变换 47
3.2.3 复合型功率变换 49
3.2.4 基本功率变换方式的比较 49
3.3 SDA的等效电子开关表示 50
3.4 对本书采用的新概念和新术语的说明 50
3.4.1 持流电抗器和链接电容器的作用 51
3.4.2 持流电感的功能与作用 52
综合问题 52
第4章 直流-直流变换 53
4.1 降压斩波器 53
4.2 升压斩波器 55
4.3 升降压斩波器 56
4.4 斩波器的动作模式和动作分析方法 58
4.4.1 电流连续模式和状态平均法 58
4.4.2 电流不连续模式和能量平衡法 60
4.4.3 作为负载的斩波器的功能 62
4.4.4 电路动作的计算机仿真 67
4.5 两象限运行与四象限运行的斩波电路 70
4.5.1 两象限运行的斩波电路 71
4.5.2 四象限运行的斩波电路 73
4.5.3 四象限斩波电路的控制 75
4.5.4 环路切换型功率变换的要点 77
4.5.5 开关器件的死区时间 80
4.6 隔离型变换电路和DC-DC变换器 80
4.6.1 两绕组电抗器 81
4.6.2 两绕组电抗器和反激变换器 82
4.6.3 变压器和正激变换器 84
4.6.4 全桥DC-DC变换器 86
4.7 直流-直流变换电路的应用与特征 89
4.7.1 在光伏发电逆变单元中的应用 90
4.7.2 对直流-直流变换装置特点的讨论 92
综合问题 92
第5章 直流-交流变换 94
5.1 单相逆变器 94
5.1.1 基于PWM的交流变换基本概念 95
5.1.2 等价电源 97
5.2 三相逆变器 100
5.2.1 基于PWM的三相交流的产生 101
5.2.2 空间矢量法——统一处理三相数值的方法 103
5.2.3 三相交流电路的空间矢量表示 105
5.2.4 空间矢量的旋转坐标系表示 108
5.2.5 基于空间矢量的功率计算 112
5.2.6 三相逆变器中电压空间矢量的产生 113
5.2.7 采用空间矢量的逆变器驱动电路分析 121
5.2.8 同步PWM和异步PWM 124
5.3 形成电流源的三相逆变器 125
5.3.1 电流源型逆变器 126
5.3.2 具有电流控制环的电流型逆变器 128
5.4 高压逆变器和大功率逆变器 133
5.4.1 三电平逆变器（NPC逆变器） 133
5.4.2 三电平逆变器的控制 135
5.4.3 级联式逆变器 137
综合问题 141
第6章 交流-直流变换 143
6.1 电容输入型整流电路 143
6.1.1 单相半波整流电源与偏磁现象 143
6.1.2 单相全波电容输入型整流电路 145
6.1.3 电容输入型三相桥式整流电路 148
6.1.4 倍压整流电路和多倍压整流电路 148
6.1.5 各种电容器 150
6.2 扼流圈输入式全波整流电路 151
6.2.1 三相二极管桥式整流电路 152
6.2.2 六相半波和两相半波整流电路 153
6.2.3 三相桥式可控整流电路 154
6.2.4 三相整流电路换流重叠现象 158
6.2.5 可控整流电路的逆变过程 159
6.2.6 三相整流电路的一些概念定义 162
6.2.7 多重化整流电路——大功率用整流电路 163
6.2.8 直流电抗器和交流电抗器 167
6.3 其他整流电路 168
6.3.1 复合整流电路Ⅰ：功率因数校正变换器 168
6.3.2 复合整流电路Ⅱ：电压可调变换器 170
6.3.3 PWM变换器 171
综合问题 174
第7章 交流-交流变换 177
7.1 间接构成交流-交流变换 177
7.1.1 电流型交流-交流变换电路 177
7.1.2 电压型交流-交流变换电路 178
7.2 直接构成交流-交流变换 179
7.2.1 周波变换器 180
7.2.2 循环电流型周波变换器 182
7.2.3 矩阵变换器 183
7.3 交流开关 186
7.3.1 小容量交流开关的电阻电路控制 186
7.3.2 大中容量交流开关的应用 187
综合问题 190
第8章 其他开关技术 191
8.1 基于MOSFET的同步控制装置 191
8.1.1 MOSFET端电压及电流特性 191
8.1.2 同步控制二极管在直流斩波电路中的应用 191
8.1.3 同步控制二极管在正激变换电路中的应用 194
8.2 高频逆变器 195
8.3 变换电路中的软开关技术 197
8.3.1 采用整个电路串联谐振的DC-DC变换电路 197
8.3.2 单个器件的软开关技术 201
综合问题 206
第9章 电力电子技术的系统应用 207
9.1 交流电动机的变频传动 207
9.1.1 感应电动机的电压源驱动：V/f控制 207
9.1.2 感应电动机的电流源驱动：转矩线性化控制 210
9.1.3 通用逆变器 213
9.1.4 空调等家用电器 213
9.1.5 抽水电机和风力发电机 214
9.1.6 有轨电力机车、动车的驱动 215
9.1.7 船舶推进 216
9.2 电力系统中的应用 216
9.2.1 直流输电和频率变换 216
9.2.2 有源滤波器 217
9.2.3 无功补偿装置：SVC装置 219
9.2.4 不间断电源装置 219
9.3 其他应用技术 220
9.3.1 高频加热和电磁灶 220
9.3.2 独立分布式电源 221
9.3.3 荧光灯用逆变器 222
9.3.4 LED照明 223
9.4 一种快速充电器 224
9.4.1 AC-DC变换电路设计 225
9.4.2 直流链接电容器容量 226
9.4.3 全桥变换电路设计 227
9.5 未来的电力工程技术 228
综合问题 229
参考文献 230
综合问题解答 232
后折页 247

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