电力电子学与能源变换系统――概论与硬开关变换器 [Power Electronics and Energy Conversion Systems: V] epub pdf mobi txt 电子书 下载 2024

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编辑推荐

本书主要讲述电力电子学与能源变换的相关知识，包括理论、设计和应用，涉及基本知识、应用实践、电路设计和*新发展。阐述电力电子学的关键内容，从基本元器件及其工作原理，到当前经典的硬开关与软开关DC-DC变换器、整流器和逆变器。

内容简介

本书主要讲述电力电子学与能源变换的相关知识，包括理论、设计和应用，涉及基本知识、应用实践、电路设计和*新发展。阐述电力电子学的关键内容，从基本元器件及其工作原理，到当前经典的硬开关与软开关DC-DC变换器、整流器和逆变器。全书共分4章：第1章简要阐述能源变换的主要内容；第2章集中于开关型变换器建模的综合研究；第3章详细讨论了硬开关变换器，电压驱动与电流驱动的推挽，半桥和全桥变换器等器件；第4章主要讲述电流倍加，三倍与倍增整流器，电压倍加与倍增整流器。每章的内容都是逐步提高难度的，同时章末给出该章的小结和习题及答案。

作者简介

Adrian Ioinovici 以色列霍龙工学院院长，中山大学信息科学与技术学院国家“千人计划”特聘专家。Ioinovici教授在DC-DC变换器、开关电容变换器与逆变器、软开关变换器、全桥与多电平变换器等电力（功率）电子学方面的学术研究处于****地位。曾担任IEEE CASS电力电子和电力系统技术委员会主席、IEEE Transactions on Power Electronics副主编、多次担任IEEE ISCAS和PESC会议的主席或技术委员会委员。

刘鹿生

微电子和电力电子技术科技工作者。在中国科学院计算所二部及其划归原航天部期间，研制成功具有自主知识产权的MOS集成电路，并用其制成国内*一台MOS集成电路的微型电子计算机，荣获1978年全国科学大会和国防科工委奖。参加原国家科委主持的我国“电力电子技术发展战略软课题研究组”之后，转向电力电子和系统集成技术的研发。退休后负责组建北京电力电子学会并担任秘书长，参加创建《电力电子》期刊并担任主编十多年。

目录

目 录
第1章 概论
1．1 能源变换电子电路的应用领域
1．1．1 信息和电信产业的应用
1．1．2 可再生能源变换的应用
1．1．3 未来的能源变换――燃料电池
1．1．4 电动车辆
1．1．5 电子显示装置的应用
1．1．6 音频放大器
1．1．7 便携式电子设备
1．1．8 高电压物理实验和粒子加速器的应用
1．1．9 照明技术
1．1．10 AC-AC变频器
1．1．11 电力系统调节
1．1．12 制造业的能源回收
1．1．13 航空航天的应用
1．1．14 国防应用
1．1．15 传动和大功率工业的应用
1．1．16 电力电子电路的分类
1．2 电力电子电路工作的基本原理
1．3 功率电路的基本组成： 功率半导体开关和无源电抗元件
1．3．1 不可控开关――功率二极管
1．3．2 半可控开关（晶闸管）
1．3．3 可控开关
1．3．4 氮化镓（GaN）开关技术
1．3．5 功率开关的能耗
1．3．6 无源电抗元件
1．3．7 超级电容器
1．4 占空比控制的恒定开关频率变换器的基本稳态分析
1．4．1 基本DC-DC变换器的输入/输出电压比
1．4．2 连续和断续导通工作模式
1．4．3 基本变换器的元件设计
1．4．4 占空比控制（PWM）的控制器
1．4．5 变换效率， 硬开关和软开关
1．5 开关电容（SC）变换器简介
1．6 频率控制的变换器
1．6．1 谐振变换器
1．6．2 准谐振变换器（QRC）
1．7 AC-DC整流器和DC-AC逆变器概述
1．7．1 整流器
1．7．2 逆变器
1．8 范例分析
1．8．1 范例1
1．8．2 范例2
1．8．3 范例3
1．9 本章小结
习题
参考文献
第2章 DC-DC变换器建模
2．1 功率级建模的目的
2．2 平均状态空间方程和低纹波近似（时间线性化）
2．3 针对CCM工作的变换器， 基于平均状态空间方程的直流电压增益和
交流小信号开环传递函数
2．3．1 直流电压增益和交流开环干线负载电压的传递函数
2．3．2 小信号近似的占空比输出电压的交流传递函数
2．3．3 CCM工作的Boost、 Buck以及Buck-Boost变换器的直流增益和交流小信号开环
传递函数
2．3．4* CCM工作的Boost、 Buck以及Buck-Boost变换器的图解平均模型
2．3．5* CCM工作的DC-DC变换器正则图解的平均模型
2．4 针对DCM工作的变换器， 基于平均状态空间方程的直流电压增益和
交流小信号开环传递函数
2．4．1 降阶的平均模型
2．4．2* 全阶平均模型
2．5* 平均PWM开关模型
2．5．1 连续导通模式（CCM）工作的变换器的平均PWM开关模型
2．5．2 断续导通模式（DCM）工作的变换器的平均PWM开关模型
2．6 开关电阻和二极管正向电压的平均模型， PWM平均模型
2．6．1 开关直流电阻和二极管正向电压的平均模型
2．6．2 PWM平均模型
2．7* 准谐振变换器的直流和小信号分析用平均谐振开关模型
2．7．1 零电流（ZC）谐振开关的平均模型
2．7．2 零电压（ZV）谐振开关的平均模型
2．7．3 ZCS准谐振变换器的直流分析和开环小信号传递函数
2．7．4 ZVS准谐振变换器的直流分析和开环小信号传递函数
2．8 电力电子电路仿真和计算机辅助设计
2．9 范例分析
2．10 本章小结
习题
参考文献
第3章 传统DC-DC PWM硬开关变换
3．1 Buck DC-DC PWM硬开关变换器
3．1．1 电感器直流阻抗的影响
3．1．2 边界控制
3．1．3 考虑电感电流纹波以及电容ESR时， CCM工作的Buck变换器的损耗计算
3．1．4 CCM工作的Buck变换器设计
3．1．5 带输入滤波器的Buck变换器
3．1．6 DCM工作的Buck变换器的稳态分析综述
3．1．7 DCM工作的Buck变换器设计
3．1．8* Buck变换器动态响应的特点
3．2 Boost DC-DC PWM硬开关变换器
3．2．1 稳态CCM工作的Boost变换器
3．2．2 稳态DCM工作的Boost变换器
3．2．3* Boost变换器动态响应的特点
3．3 Buck-Boost DC-DC PWM硬开关变换器
3．3．1 稳态CCM工作的Buck-Boost变换器
3．3．2 稳态DCM工作的Buck-Boost变换器
3．3．3* Buck-Boost变换器动态响应的特点
3．4 uk升降压型(Boost-Buck)DC-DC PWM硬开关变换器
3．4．1 uk变换器的推导和开关工作
3．4．2 CCM工作的uk变换器的稳态分析及设计
3．4．3* 存在寄生电阻的uk变换器直流电压增益和交流小信号特性
3．4．4 设计实例和市售uk变换器
3．4．5* uk变换器的DCM工作
3．4．6* 带耦合电感的uk变换器
3．5 SEPIC PWM硬开关变换器
3．5．1 CCM工作的SEPIC变换器
3．5．2 CCM工作的SEPIC变换器的稳态分析
3．5．3* CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析
3．5．4 市售SEPIC变换器： 实例研究
3．5．5* DCM工作的SEPIC变换器
3．5．6* DICM工作的SEPIC变换器的交流分析
3．5．7* 隔离型SEPIC变换器
3．6 Zeta(反向SEPIC)PWM硬开关变换器
3．6．1 CCM工作的Zeta变换器
3．6．2 CCM工作的Zeta变换器的稳态分析
3．6．3* CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析
3．6．4 设计案例和范例分析
3．6．5* DCM工作的Zeta变换器
3．6．6* 隔离型Zeta变换器
3．7 正激变换器（正向变换器）
3．7．1 DC-DC变换器结构中高频变压器的作用
3．7．2 正激变换器的推导
3．7．3 CCM工作的正激变换器
3．7．4 DCM工作的正激变换器和CCM与DCM的设计考虑
3．7．5* 多路输出正激变换器
3．7．6* 其他的磁芯复位策略
3．7．7 实用设计案例： 范例分析
3．8* 隔离型uk变换器
3．9 反激变换器
3．9．1 反激变换器推导
3．9．2 反激变换器的CCM和DCM工作
3．9．3 耦合电感器漏感的影响
3．9．4* 反激变换器的小信号模型
3．9．5 反激变换器的设计： 范例分析――实际考虑
3．10 推挽变换器
3．10．1 降压型的推挽变换器（电压驱动）
3．10．2 CCM下的推挽变换器
3．10．3 推挽变换器中的非理想因素
3．10．4 DCM工作
3．10．5* 升压型的推挽变换器（电流驱动）
3．10．6 设计实例
3．11 半桥变换器
3．11．1 Buck半桥变换器拓扑
3．11．2 CCM工作
3．11．3 输入到输出电压变换比和CCM工作的半桥变换器设计
3．11．4 实际问题
3．11．5 DCM工作
3．11．6* 电流驱动半桥变换器
3．12 全桥变换器
3．12．1 全桥拓扑
3．12．2 Buck全桥变换器的CCM工作
3．12．3 输入/输出电压变换比和CCM工作的Buck全桥变换器的设计
3．12．4 实际问题
3．12．5* 其他晶体管控制方式： 移相控制
3．12．6* 电流驱动型全桥变换器
3．13 本章小结
习题
参考文献
第4章 DC-DC变换器的衍生结构
4．1 推挽、 半桥和全桥变换器的倍流整流器（Current Doubler Rectifier， CDR)
4．1．1 倍流整流器的周期运行
4．1．2 具有倍流整流器（CDR)的变换器的电压变换比
4．1．3 电流纹波率
4．1．4* 其他结构的倍流整流器(CDR)
4．1．5 倍流整流器的缺点
4．1．6* 三倍流或多倍流整流器
4．2 倍压和多倍压整流器
4．2．1 全波桥式倍压整流器
4．2．2 Greinacher倍压整流器
4．2．3 三倍压器及常规的Cockcroft-Walton多倍压器
4．2．4* 单电容倍压器
4．2．5 斐波那契开关电容多倍压器
4．2．6 分压器
4．2．7* “经济”电源和4×8电源
4．3 二次变换器
4．3．1 二次Buck变压器
4．3．2* Buck-Boost二次变换器（占空比＜0．5）
4．4* 双开关Buck-Boost变换器
4．4．1 升降压交错式双开关Buck-Boost变换器
4．4．2 正输出电压的Z源Buck-Boost变换器
4．5* 开关电容/开关电感集成的基本变换器
4．5．1 基于开关电容/开关电感结构的变换器系列
4．5．2 KY变换器
4．5．3 Watkin-Johnson变换器
4．6* Sheppard-Taylor变换器
4．6．1 连续导通模式（CCM）工作
4．6．2 断续导通模式（DCM）工作
4．6．3 隔离型Sheppard-Taylor变换器
4．7* 有源开关电压应力低的变换器
4．7．1 具有Vin/2初级开关电压应力的四开关全桥型变换器
4．7．2 初级侧开关应力为三分之一输入电压的变换器
4．7．3 三电平Boost变换器
4．8* 电感带抽头的变换器
4．8．1 电感带抽头的Buck变换器和VRM（电压调节模块）
4．8．2 电感带抽头的Boost变换器
4．9* 有中心抽头电感的电流驱动双桥变换器
4．10 本章小结
习题
参考文献
术语表

前言/序言

译 者 序

过去的20多年， 以功率MOSFET和IGBT为基础的新一代电力电子技术， 亦称功率电子技术， 其应用范畴从传统的电机传动、 金属冶炼等迅猛地开拓和扩展到消费电子设备、 汽车电子系统、 智能电网、 航空航天和船舶等几乎所有的工业领域。

在此期间， 全球又面临能源短缺， 许多国家， 包括我国都制订了以节能为重要的国策之一。据估计， 世界上超过50%的用电量是通过功率器件来控制的， 而控制这些功率器件的正是本书的主题： 电力电子技术。又据估计， 美国如果按2009年的用电水准发展， 20年后需要增加大约50%的电能； 如果充分利用和发挥功率器件及其应用技术的话， 届时需要的电能不但不需要增加， 反而可以减少。不管其预测的精度如何， 电力电子技术（包括它应用的功率器件）的作用及其潜能是不应低估的。还有未来学专家预测， 再次工业革命将以信息互联网和能源互联网（智能电网）的融合为特征， 现在是在等待能源互联网（智能电网）的成长和壮大。

但是， 2012年前还几乎没有一本针对近20年来以电力电子新技术发展前沿为主题的综合性教科书或参考书。

以色列霍龙工学院（Holon Institute of Technology）院长， 中山大学信息科学与技术学院国家“千人计划”特聘专家， Ioinovici教授在DC-DC变换器、 开关电容变换器与逆变器、 软开关变换器、 全桥与多电平变换器等电力电子学方面的学术研究处于世界领先地位。曾担任IEEE CASS电力电子和电力系统技术委员会主席、 IEEE Transactions on Power Electronics副主编、 多次担任IEEE ISCAS和PESC会议的主席或技术委员会委员。

本书是软开关变换器的基础,包括理论、 设计和应用。其阐述由浅入深， 由入门基本知识到技术开发前沿的探索。对现代电力电子电路中开关的复杂又常被忽略的瞬态工作过程、 性能和影响做了详细、 深入的阐述和探讨; 强调对能源变换器的开发和选择的第一要求是效率;对各种电路的详细分析都给出周密的设计思路和最复杂实际情况的处理;对相同要求的各种解决方案进行比较， 以便于对各种应用选取最合适方案思路的理解。

我国第十二个五年规划中， 重点支持和发展的七大战略性新兴产业之一的“新一代信息技术产业”的基础和关键支撑技术是电力电子器件（亦称功率电子器件）、 半导体集成电路和光电器件， 其中电力电子器件（包括其应用技术）是首次列入国家五年发展规划的。因此, 该书除了作为本学科综合性、 系统性的教材外， 对现代电力电子技术不太熟悉的相关学者、 研究生、 科技人员来说还是亟需的补充读物或案头参考书。

为了让本书尽快和读者见面， 由原国家科委主持的“电力电子技术发展战略研究软课题组”成员， 退休后担任 “北京电力电子学会”秘书长和《电力电子》期刊主编的刘鹿生研究员推荐和翻译第1章， 由北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院袁海文教授、 博导， 负责总审校和组织、 指导后三章的翻译。其中吕建勋博士翻译第2章， 弭寒光、 郭鑫博士翻译第3章， 刘桂良硕士翻译第4章。另外， 吕建勋协助统一汇总， 刘鹿生协助审校。鉴于译者水平有限， 翻译中难免有疏漏和欠佳之处， 望读者赐教和见谅。

前 言

20世纪的最后10年和21世纪的第一个10年， 见证了电力电子电路的惊人发展和它们几乎扩展到我们生活的每一个领域： 从消费电子和光电技术到航空航天和太空探索， 从绿色能源到国防和交通运输行业。这些现代的能量变换系统从极低功耗的便携式电子装置到大功率的电气传动设备， 覆盖了广阔的应用领域。节能意识更推动它为高效能量变换电路的探索进行持续的研究和创新。

上述多样性的应用需要广泛地使用电力电子技术。为此， 研究人员开发了具有不同特点的新的变换器和逆变器。在越来越多的专业期刊和国际专业会议上发表的论文数量不停地增长。大量的多样化的新概念和解决方案已通过这些论文传播。

但是， 近年来图书界对待电力电子的现代发展仍持谨慎态度。类似1990年之前出版的图书， 它们主要阐述变换器和逆变器的基本知识。而本书注重阐述现代的主题——诸如软开关， 开关电容和开关电感功率电路， 具有直流增益大的电源， 单级功率因数校正器， 在高温和辐射等恶劣环境中工作的变换器， 用集成电路（IC）技术在芯片上实现电源等。如果其中任何一项能用IC实现， 都是很薄的。也许没有其他的技术领域出现这种具有大量的现代研究成果却没有多少人的成果形成专著书籍之间的矛盾。

今天， 能源变换是任何严谨的电气和电子工程大学主修的课程。选修电力电子技术课程的本科生、 研究生的数量， 博士生、 研究人员的数量和专业水平， 以及电子变换器设计师的数量一直没有停止增长。可是， 遗憾的是， 市场上现有的书籍未能提供所需要的知识， 那些有兴趣者只能通过众多期刊中的论文和公司的应用手册来搜索。

本书是一本电力电子学的综合教科书， 覆盖理论、 设计和应用， 从基础知识开始到最新发展。它可以作为21世纪第二个10年伊始的电力电子学的现代技术， 作为进一步开发与应用的文献与书目库。

第1章从能量变换主题的概况开始： DC-DC变换的原理， AC-DC整流器， DC-AC逆变器， 开关电容、 准谐振、 谐振变换器， 软开关， PWM（脉宽调制）和开关频率控制。该章还简要阐述了电力电子电路的组成， 特别关注新技术的发展， 如碳化硅或砷化镓半导体开关， 纵向结构的功率晶体管， 单片（芯片）的电感器和超级电容器。在此概况性的章节中甚至还讨论了实践方面的状况， 例如用于大电流应用的驱动晶体管的达林顿方案， 为了控制晶体管的开启/关闭速度使用图腾对的栅极驱动电路， 用于驱动高侧晶体管的自举电路， 计算机电源用的同步整流器。还包括商业上提供的相关元器件的性能图表。

第2章是对开关型变换器建模的全面研究。除了降阶状态空间平均方程和平均PWM开关模型， 这一部分的所有资料不会在其他的书籍中完全找到。考虑到电感电流动态， 导出了工作在连续和断续模式的基本PWM变换器的全阶模型。还导出了零电流开关和零电压开关的降压， 升压和降压升压准谐振变换器的模型和开环小信号传递函数， 并和以前未发表的这些电路模型进行比较。

第3章详细地讨论了传统硬开关的降压， 升压， 降压升压， SEPIC， uk， Zeta， 以及电压驱动和电流驱动推挽式， 半桥和全桥变换器。理论处理从连续和断续工作模式的基本分析开始， 首先忽略寄生损耗， 随后再做更准确的考虑。在此讨论了通常不能在现有图书中找到的主题： SEPIC， uk， Zeta转换器的断续电容器电压模式和实际的断续电感器电流模式及其在功率因数校正器中的应用； SEPIC， uk， Zeta转换器的交流小信号模型； 寄生电阻实际对直流电压增益影响的研究（输出电流的纹波，

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