电力电子变换器：PWM策略与电流控制技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[法] 艾瑞克·孟麦森 著，冬雷 译

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• 电力电子
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• 变换器
• 电力系统
• 控制技术
• 电力变换
• 开关电源
• 电机驱动
• 新能源

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111527213

版次：1

商品编码：11899162

包装：平装

丛书名： 国际电气工程先进技术译丛

开本：16开

出版时间：2016-03-01

用纸：胶版纸

页数：368

编辑推荐

适读人群 ：电气工程、机电工程、自动化、新能源等相关专业的人员

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内容简介

　　本书中，系统地介绍了现代电力电子变换装置及其PWM控制策略，具有内容系统全面、范例丰富详尽、原理深入浅出、理论与实际紧密结合等特点。第1～9章主要关注脉宽调制技术；第10～16章主要关注电流控制技术。其中，第1章和第2章讲述两种基本的PWM控制策略；第3章介绍PWM控制中的三相逆变器的过调制问题；第4～6章是对不同PWM控制方法的详细介绍；第7章介绍了PWM控制中的电磁干扰问题；第8章和第9章讲述了多重与多相功率变换器的PWM控制策略；第10～15章分别以同步电机和直流电源为例详细介绍了各种不同的电流控制方法；第16章介绍了多电平变换器的电流控制方法。

目录

译者序
引言
第1章用于两电平三相电压型逆变器的载波脉宽调制1
1.1引言1
1.2参考电压va ref、vb ref、vc ref3
1.3参考电压Pa ref、Pb ref、Pc ref6
1.4va、vb、vc与Pa、Pb、Pc之间的联系8
1.5PWM信号的产生8
1.5.1反锯齿波8
1.5.2传统锯齿形载波11
1.5.3三角形载波12
1.5.4说明16
1.6通过参考波形va ref k、vb ref k、vc ref k确定Pa ref k、Pb ref k、Pc ref k16
1.6.1“正弦”调制17
1.6.2“居中”调制18
1.6.3“亚优化”调制19
1.6.4“平顶”和“平底”调制20
1.7总结22
1.8参考文献22
第2章空间矢量调制策略24
2.1逆变器和空间矢量PWM24
2.1.1问题描述24
2.1.2逆变器模型24
2.1.3空间矢量调制27
2.2通用方法33
2.2.1自由度33
2.2.2全指令域的拓展34
2.2.3空间矢量调制36
2.2.4PWM频谱38
2.3空间矢量PWM与实现39
2.3.1实现所需硬件及通用结构39
2.3.2工作扇区的确定42
2.3.3空间矢量PWM的一些变种43
2.4总结46
2.5参考文献46
第3章三相电压型逆变器的过调制48
3.1背景48
3.2调制策略的比较48
3.2.1引言48
3.2.2“全波”调制49
3.2.3标准调制策略的性能50
3.3调制器的饱和53
3.4改进的过调制56
3.5参考文献62
第4章脉冲宽度调制的计算与优化策略64
4.1程式化PWM简介64
4.2PWM的有效频率范围65
4.3程式化谐波消除PWM66
4.4优化PWM68
4.4.1简介68
4.4.2最小化判据68
4.4.3优化结果应用70
4.4.4实时生成原理72
4.5多电平PWM的计算73
4.5.1简介73
4.5.2三电平PWM的计算74
4.5.3独立的多电平PWM的计算77
4.6总结78
4.7参考文献79
第5章Δ�拨驳髦�81
5.1引言81
5.2单相Δ�拨驳髦圃�理81
5.2.1开环或闭环操作82
5.2.2频率特性82
5.2.3参考信号幅值对频谱的影响84
5.2.4指令信号频率对频谱成分的影响85
5.2.5窄脉冲的缺失85
5.2.6决策要素85
5.2.7非对称与对称DSM86
5.3三相情况：矢量DSM87
5.3.1选择新矢量的判据88
5.3.2三电平三相逆变器93
5.4总结94
5.5参考文献94
第6章随机调制策略96
6.1引言96
6.2展布频谱技术及其应用96
6.3随机调制技术介绍98
6.3.1PWM的确定性基础98
6.3.2变频率随机PWM98
6.3.3随机脉冲位置PWM99
6.3.4三相逆变器中的随机PWM99
6.3.5整体评价99
6.4随机调制的频谱分析100
6.4.1电压频谱的影响100
6.4.2负载电流频谱的影响101
6.4.3直流母线电流影响101
6.4.4对电动机噪声和振动的影响103
6.5总结106
6.6参考文献106
第7章调速装置的电磁兼容：PWM控制策略的影响108
7.1简介108
7.2EMC研究的目标109
7.3静止变流器中的EMC机理110
7.3.1引言110
7.3.2EMC标准111
7.3.3标准的测量与仿真112
7.4时域仿真113
7.5频域建模：工程师的工具114
7.5.1建模的目标114
7.5.2干扰源建模115
7.5.3逆变器的频域表示119
7.6PWM控制120
7.6.1基于载波PWM120
7.7不同基于载波PWM策略的源的比较128
7.7.1正弦交叉比较PWM128
7.7.2谐波注入控制129
7.7.3换相率限制：死区带PWM控制129
7.8空间矢量PWM130
7.9最小化共模电压的结构134
7.10总结134
7.11参考文献135
第8章多相电压源逆变器137
8.1引言137
8.2电压源逆变器的矢量建模138
8.2.1n桥臂结构：术语、标记、举例138
8.2.2平均值控制：PWM140
8.3带多相负载的逆变器148
8.3.1负载拓扑和相关自由度149
8.3.2实际例子：三相情况152
8.3.3实际例子：五相负载154
8.4总结158
8.5参考文献158
第9章多电平变换器的PWM策略163
9.1多电平和交错并联变换器163
9.2调制器169
9.2.1回顾：两电平调制器169
9.2.2多电平调制器172
9.3不同多电平结构的控制信号发生器187
9.3.1“三点”逆变器（中点钳位逆变器）187
9.3.2飞跨电容逆变器188
9.4总结192
9.5参考文献193
第10章同步电动机的PI电流控制196
10.1引言196
10.2同步电动机模型196
10.2.1基于定子固定坐标系的同步电动机模型196
10.2.2同步电动机转子绕组轴线对齐的旋转坐标系（d，q）模型200
10.2.3电磁转矩的表示202
10.3同步电动机的典型功率传输系统204
10.4同步电动机在定子固定三相坐标系下的PI电流控制205
10.4.1与定子轴对齐的固定三相坐标系下的PI控制器的整定208
10.4.2与定子轴对齐的固定三相坐标系下的PI控制器的结构209
10.5旋转坐标系（d，q）下的同步电动机PI电流控制211
10.5.1在（d，q）坐标系下的PI控制器整定211
10.5.2在（d，q）参考坐标系下的PI控制器结构213
10.6总结214
10.7参考文献215
第11章同步电动机的预测电流控制216
11.1引言216
11.2最小开关频率预测控制策略217
11.3限制开关频率的预测控制策略217
11.4同步电动机的限制开关频率预测电流控制策略218
11.4.1同步电动机带有可变、受限开关频率的预测电流控制策略218
11.4.2同步电动机固定开关频率预测电流控制222
11.5总结225
11.6参考文献226
第12章同步电动机的滑模电流控制227
12.1引言227
12.2直流电动机的滑模控制227
12.2.1直流电动机的直接滑模电流控制229
12.2.2直流电动机的非直接滑模电流控制231
12.3同步电动机的滑模电流控制236
12.3.1同步电动机定子电流矢量直接滑模控制238
12.3.2同步电动机定子电流矢量非直接滑模控制245
12.4总结250
12.5参考文献251
第13章大带宽与固定开关频率的混合电流控制器252
13.1引言252
13.2离散输出电流调节器的主要类型253
13.2.1引言253
13.2.2滞环调节器253
13.2.3固定频率滞环调节器254
13.2.4开通触发电流调节器256
13.2.5关断触发控制器260
13.2.6开通或关断触发调节器262
13.2.7混合调制的滞环调节器原理263
13.3极限环分析工具266
13.3.1动力系统简介；分岔概念266
13.3.2动力系统的分岔概念268
13.3.3庞加莱截面及分岔图269
13.3.4电气工程应用269
13.3.5非线性电流调节器中极限环的分析271
13.4总结281
13.5参考文献281
第14章利用自振荡电流控制器的电流控制283
14.1引言283
14.2自振荡电流控制器工作原理283
14.2.1两用的局部环283
14.2.2开关频率控制的局部控制环284
14.2.3具备低频电流控制环287
14.2.4调节器的稳定性289
14.3SOCC的改进290
14.3.1静态误差的降低290
14.3.2开关频率控制291
14.3.3初步设计的变化293
14.4SOCC的特性293
14.4.1开关频率293
14.4.2线性度295
14.4.3谐波畸变295
14.5SOCC概念的拓展296
14.5.1自振荡电压控制296
14.5.2三相SOCC299
14.5.3三相SOVC300
14.5.4高功率有源负载的模拟301
14.5.5检测电路的模数转换器302
14.6总结302
14.7参考文献303
第15章利用谐振校正器的电流与电压控制策略：固定频率应用305
15.1引言305
15.2电流控制利用谐振校正器306
15.2.1利用Kessler对称优化控制306
15.2.2功率控制应用：风力发电机案例308
15.3电压控制策略315
15.3.1引言315
15.3.2功率控制原理316
15.3.3电容端的电压控制318
15.3.4参考电压的确定321
15.3.5功率控制322
15.3.6电压控制324
15.3.7仿真324
15.4总结330
15.5附录：变压器参数330
15.6参考文献330
第16章多电平变换器的电流控制策略333
16.1引言333
16.2多电平变换器拓扑334
16.2.1多电平结构的主要种类334
16.2.2多单元结构的优缺点336
16.2.3高功率多单元拓扑的演化：层叠式多单元变换器337
16.3控制自由度的建模与分析338
16.3.1瞬态建模338
16.3.2平均值模型339
16.4可用于控制算法的自由度分析339
16.4.1开环PWM调制339
16.4.2拓扑的自由度339
16.4.3指令规则的目标340
16.5控制策略分类341
16.6单相桥臂非直接控制策略342
16.6.1解耦控制原理342
16.6.2线性和非线性控制342
16.6.3利用严格输入/输出线性化解耦345
16.6.4利用指令信号之间相移的控制347
16.7单相桥臂直接控制策略350
16.7.1滑模控制350
16.7.2电流控制模式352
16.8控制策略，三相方法355
16.8.1三相系统两电平逆变器特点355
16.8.2三相N电平系统特点356
16.8.3使用多单元逆变器可用自由度的分析356
16.8.4多电平逆变器自由度应用范例359
16.9多单元变换器特点：需要观测器361
16.10总结与展望362
16.11参考文献363
参编人员366

前言/序言

现代电力系统中的关键技术：《高频开关电源设计与优化》 核心关注点：提升效率、减小体积、优化动态性能 在当今能源日益紧张和对电子设备性能要求不断提高的时代背景下，高频开关电源（Switch-Mode Power Supply, SMPS）已成为电子信息、新能源接入、工业驱动等诸多领域不可或缺的核心技术。本书《高频开关电源设计与优化》并非聚焦于电力电子变换器中特定调制方式或电流环路的深入探讨，而是致力于构建一套全面、系统、面向工程实践的高频开关电源整体设计方法论。 本书的编写遵循从基础理论到前沿应用的递进路径，旨在为电源工程师、电子系统设计师以及相关领域的研究人员提供一套扎实且实用的技术参考。我们深刻认识到，一个高性能的开关电源，其成功不仅依赖于精妙的拓扑选择，更取决于对磁性元件的合理设计、热管理策略的有效实施以及EMI/EMC问题的预先规避。 --- 第一部分：高频开关电源基础与拓扑演进 本部分首先回顾了线性电源的局限性，引出了开关电源作为高效率解决方案的必要性。随后，我们将重点剖析经典和现代主流的高频开关拓扑结构。 1.1 开关电源的效率瓶颈与高频化趋势 详细分析了器件开关损耗、传导损耗以及磁性元件损耗的构成，阐明了提升效率的内在驱动力——即向更高开关频率发展的必然性。同时，讨论了频率提升带来的挑战，如对器件耐压、驱动电路速度以及开关瞬态控制的要求。 1.2 核心拓扑结构精选与适用性分析 不同于传统教科书对所有拓扑的罗列，本书侧重于在高频应用中表现优异的几种拓扑： 正激（Forward）与返侙（Flyback）变换器： 分析其在低功率、隔离应用中的优缺点，特别关注磁复用技术在减小励磁电流方面的应用。 半桥与全桥拓扑（LLC谐振为主）： 深入探讨了谐振变换器（特别是LLC结构）如何实现零电压开关（ZVS），从而极大降低开关损耗，是实现高功率密度关键技术的基石。我们详细分析了LLC的增益曲线特性、工作模式切换点以及如何精确设计谐振元件以适应输入电压范围。 多电平变换器： 针对中高压应用，介绍了几种提升输出电压质量、降低器件应力的多电平架构，并讨论了其在复杂波形生成上的优势。 1.3 磁性元件在系统中的核心地位 高频化对变压器和电感提出了严苛要求。本章内容侧重于非控制策略的优化： 磁芯材料的选择与损耗模型： 详细对比了铁氧体、非晶合金等材料在不同频率和温度下的磁通密度特性与损耗密度。 绕组技术的革新： 重点介绍Litz线在减小集肤效应和邻近效应中的应用，以及如何通过优化层间绝缘和紧密排线来降低漏感和杂散电容。 集成化磁性元件的挑战： 讨论了将变压器、电感甚至部分滤波元件集成化对热管理和EMC设计带来的新考量。 --- 第二部分：散热、封装与可靠性工程 电源的稳定运行和寿命，很大程度上取决于其热设计和物理封装。本部分将设计思维从电路原理拓展到物理实现层面。 2.1 高密度电源的热传导与热耗散路径分析 开关器件（MOSFET/GaN/SiC）和二极管是主要热源。本书提供了详细的热阻计算模型，包括芯片到封装、封装到散热器（或PCB）的热阻评估。 PCB作为散热器的优化设计： 探讨了如何通过增加铜箔面积、采用热过孔阵列（Thermal Vias）来构建有效的散热平面。 主动与被动散热策略的权衡： 对比了自然对流、强制风冷以及热管技术在不同功率密度下的经济性和有效性。 2.2 器件选型与封装对高频性能的影响 现代半导体器件的封装材料和引脚布局对寄生参数有显著影响。 寄生电感与开关瞬态： 分析了引脚电感如何引发振铃（Ringing）和过冲，进而影响器件的可靠性，并提出布局层面的规避措施。 SiC与GaN器件的驱动挑战： 鉴于这些宽禁带器件的快速开关特性，本章专门讨论了高电流、低电感驱动电路的设计，以确保器件的性能潜力能够完全释放。 2.3 可靠性分析与环境适应性 电源的设计必须考虑长期工作的可靠性。内容涵盖了MTBF（平均故障间隔时间）的估算方法，以及针对高低温循环、湿度、振动等环境因素下的设计裕度确定。 --- 第三部分：系统级集成与电磁兼容性（EMC） 高性能电源必须是“安静”且易于集成的。本部分着重解决实际产品开发中最令人头疼的EMC问题，以及电源与其他系统间的接口优化。 3.1 电磁兼容性（EMC）的设计先验性 EMC设计绝非事后补救，而应贯穿于所有设计阶段。本书强调“源头控制”： 辐射发射（RE）的抑制： 详细分析了开关电流回路的面积、di/dt（电流变化率）和dv/dt（电压变化率）如何成为主要的辐射源。介绍如何通过优化PCB布局（如减小回路面积、使用高频地平面）来从根本上降低辐射。 传导发射（CE）的控制： 重点讨论了输入端滤波网络的设计，包括共模扼流圈（CM Choke）的选择标准和布局要求，以满足CISPR标准的要求。 抗扰度（EMS）的提升： 讨论了浪涌抗扰度（Surge）和静电放电（ESD）的防护电路设计，例如TVS管的选型与布局策略。 3.2 滤波器设计与系统噪声隔离 系统级的噪声隔离至关重要。我们提供了输出滤波器的动态特性分析，指导工程师设计能有效应对负载瞬态变化同时抑制高频噪声的LC或LCL滤波器。这与仅关注稳定性的常规控制设计是不同的视角。 3.3 并联与并联技术的系统优化 在高功率场合，采用多路并联是常见的解决方案。本书详细讨论了如何通过电流均流（而非简单的输出电阻均流）技术，确保多模块间负载分配的均衡性，从而避免单模块过载，延长系统整体寿命。 --- 总结 《高频开关电源设计与优化》旨在提供一套超越单一控制算法的、面向系统集成、效率提升和物理实现的综合指南。我们注重工程实践中遇到的实际问题，例如磁性元件的制造公差、热点分布的不可预测性以及复杂的EMC测试要求，力求使读者能够设计出满足现代电子产品对小型化、高可靠性和高性能需求的开关电源解决方案。

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这本书的参考文献和引述部分做得非常严谨和全面，显示出作者扎实的学术功底和广阔的知识视野。它不仅仅是罗列了近十年的顶级期刊和会议论文，更难得的是，作者在关键章节的讨论中，巧妙地引用了那些具有开创性的、甚至是一些相对小众但却至关重要的早期研究成果。这种对历史脉络的梳理，让读者能清晰地看到当前技术是如何一步步发展演变而来的，避免了“只见树木，不见森林”的弊端。对于需要进行文献综述或撰写技术报告的读者来说，这本书本身就是一个极佳的、经过筛选和提炼的参考资料库。通过这些引用，我得以快速定位到几个我此前未曾注意到的、但对我的研究方向极具启发性的领域，这为我接下来的工作指明了新的方向。

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从一个刚刚接触电力电子的新手角度来看，这本书的入门引导部分处理得非常巧妙，没有采用那种生硬的、直接堆砌公式的传统方式。作者似乎非常理解初学者的困惑点，他通过一系列循序渐进的、类比式的讲解，将抽象的电磁理论与实际的变换器操作紧密联系起来。例如，讲解电压应力与电流纹波关系时，他引入了一个日常生活中常见的例子作为参照物，使得原本晦涩的数学表达变得生动易懂。这种“由表及里，层层递进”的叙述逻辑，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。我发现自己并没有因为基础薄弱而产生畏难情绪，反而是被这种清晰的逻辑链条吸引着，主动去探索更深层次的细节。这表明作者不仅是技术专家，更是一位高水平的教育者。

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我花了一周时间仔细阅读了关于新型开关器件应用的那几个章节，作者对IGBT和SiC MOSFET在不同工况下的动态特性描述得极其深入和透彻。特别是针对高频脉冲下器件损耗的建模分析部分，提供了好几个不同于传统教材的视角，让我对如何优化器件选型有了全新的认识。他不仅罗列了参数，更重要的是解释了这些参数背后的物理意义及其对实际系统性能的耦合影响，这一点非常难得。很多书籍只是告诉你“应该用什么”，但这本书却告诉你“为什么应该用，以及在什么条件下会失效”。这种深入底层的剖析，对于我们进行前沿课题研究或解决实际工程中的疑难杂症时，提供了坚实的理论支撑和直观的判断依据。我尤其欣赏其中对热管理和EMI抑制的章节，它们不再是简短的附录，而是被当作核心内容进行了详细论述。

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