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功率电子学原理及其应用

作译者：程夕明

出版时间：2011-11 千字数：0 版次：01-01 页数：204

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121149351

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目    录
绪论	1
习题	6
第1章  基本概念	7
1.1  电路的波形及其参数	7
1.1.1  参数	8
1.1.2  直流	8
1.1.3  正弦波	9
1.1.4  矩形波	13
1.1.5  三角波	15
1.1.6  谐波	17
1.2  半导体基础	20
1.2.1  N型半导体和P型半导体	20
1.2.2  PN结	21
1.2.3  二极管	23
1.3  理想开关的开关过程	26
1.3.1  理想开关	26
1.3.2  电感负载的理想开关过程	27
1.3.3  电容负载的理想开关过程	28
1.4  续流和换流	30
1.4.1  功率二极管的续流	30
1.4.2  功率半导体器件的换流	30
1.5  硬开关的开关过程	32
1.5.1  硬开关	32
1.5.2  硬开关的开通过程	32
1.5.3  硬开关的关断过程	33
1.6  软开关的开关过程	34
1.6.1  软开关	34
1.6.2  零电流开关（ZCS）的开关过程	34
1.6.3  零电压开关（ZVS）的开关过程	35
1.7  脉冲宽度调制（PWM）原理	36
1.7.1  PWM信号的类型	36
1.7.2  PWM信号的占空比	37
1.7.3  PWM数字信号的发生	37
1.7.4  直流PWM斩波	38
1.7.5  正弦波PWM（SPWM）发生原理	39
1.8  直流开关	42
1.8.1  低端开关	42
1.8.2  高端开关	42
1.9  电路的状态平均	43
1.9.1  状态平均	43
1.9.2  状态平均的欧姆定律	43
1.9.3  状态平均的电感和电容特性	44
1.9.4  状态平均的基尔霍夫定律	45
习题1	45
第2章  器件工作原理	47
2.1  功率二极管	47
2.1.1  结构	47
2.1.2  动态特性	48
2.1.3  功率二极管的模型	49
2.1.4  功率二极管的主要参数	50
2.2  双极结型功率晶体管	50
2.2.1  功率晶体管的结构	50
2.2.2  双极结型晶体管的基本工作原理	51
2.2.3  功率晶体管的工作区	52
2.2.4  功率晶体管的击穿与安全工作区	52
2.3  晶闸管	53
2.3.1  晶闸管的结构	53
2.3.2  晶闸管的工作原理	53
2.3.3  晶闸管的静态特性	55
2.3.4  晶闸管的动态特性	56
2.3.5  晶闸管的参数	57
2.4  功率金属氧化物场效应管	57
2.4.1  MOS电容的工作原理	58
2.4.2  MOSFET的结构与类型	58
2.4.3  MOSFET的压控原理	59
2.4.4  MOSFET的漏极、源极输出特性	59
2.4.5  MOSFET的沟道夹断和转移特性	60
2.4.6  功率MOSFET的结构	60
2.4.7  功率MOSFET的通态电阻	61
2.4.8  功率MOSFET的寄生器件	61
2.4.9  功率MOSFET的等效电路	62
2.4.10  功率MOSFET的开关特性	62
2.4.11  功率MOSFET的安全工作区	64
2.4.12  功率MOSFET的主要参数	64
2.5  绝缘栅双极晶体管	64
2.5.1  IGBT的结构和类型	65
2.5.2  IGBT的基本工作原理	65
2.5.3  IGBT的输出特性	66
2.5.4  IGBT的寄生器件	67
2.5.5  IGBT的擎住效应	67
2.5.6  IGBT的开关特性	68
2.5.7  IGBT的安全工作区	70
2.5.8  IGBT的主要技术指标	70
习题2	71
第3章  整流技术	72
3.1  不控整流电路	72
3.1.1  单相桥式二极管整流器电路	72
3.1.2  三相桥式二极管整流器电路	74
3.2  直流滤波电路	76
3.2.1  容性输入直流滤波器	76
3.2.2  感性输入直流滤波器	80
3.3  相控整流电路	83
3.3.1  单相桥式晶闸管半控整流电路	83
3.3.2  单相桥式晶闸管全控整流电路	87
3.3.3  三相桥式晶闸管全控整流电路	89
习题3	94
第4章  直流转换技术	96
4.1  DC/DC降压电路	96
4.1.1  电路结构	96
4.1.2  工作原理	96
4.1.3  CCM电路的输出电压	98
4.1.4  CCM和DCM的边界	99
4.1.5  DCM电路的输出电压	100
4.1.6  输出电压的纹波	101
4.1.7  状态平均模型	102
4.1.8  计算与仿真分析	103
4.2  DC/DC升压电路	109
4.2.1  电路结构	109
4.2.2  工作原理	109
4.2.3  CCM电路的输出电压	110
4.2.4  CCM和DCM的边界	111
4.2.5  DCM电路的输出电压	111
4.2.6  输出电压的纹波	112
4.2.7  状态平均模型	113
4.2.8  计算与仿真分析	114
4.3  DC/DC升/降压电路	119
4.3.1  电路结构	119
4.3.2  工作原理	119
4.3.3  CCM和DCM的边界	120
4.3.4  Cuk转换电路	121
4.4  DC/DC组合电路	124
4.4.1  半桥DC/DC电路	124
4.4.2  全桥DC/DC电路（Full-bridge DC/DC Converter）	124
4.4.3  DC/DC的多相多重电路（Parallel DC/DC Converter）	125
4.5  DC/DC隔离电路	126
4.5.1  单端正激式转换器	126
4.5.2  推挽式转换器	128
4.5.3  单端反激式转换器（Flyback转换器）	130
4.5.4  半桥式转换器	132
4.5.5  全桥式转换器	134
4.6  同步整流	137
4.6.1  整流电路	138
4.6.2  同步整流	138
习题4	140
第5章  逆变技术	142
5.1  单相电压源逆变器	142
5.1.1  中心抽头变压器式单相电压源逆变器	142
5.1.2  半桥式单相电压源逆变器	143
5.1.3  全桥式单相电压源逆变器	143
5.1.4  全桥式单相电压源逆变器的脉宽调制技术	144
5.2  三相电压源逆变器	147
5.2.1  三相电压源逆变器的电路工作原理	147
5.2.2  三相SPWM技术	148
5.2.3  三相电压空间矢量PWM技术	149
习题5	154
第6章  功率电子技术在电动汽车中的应用	155
6.1  汽车电源系统	155
6.1.1  交流发电机及其整流器	155
6.1.2  电压调节电路	157
6.1.3  42V汽车电源系统	158
6.2  电动助力转向	159
6.2.1  结构与原理	159
6.2.2  助力电动机的工作模式	160
6.2.3  系统匹配	161
6.3  电动空调	163
6.3.1  结构与原理	164
6.3.2  电动压缩机控制	165
6.4  再生协调制动器	167
6.5  驱动电动机及其控制器	169
6.5.1  电动汽车驱动技术要求	169
6.5.2  电动机驱动装置电路结构	170
6.5.3  感应电动机驱动系统	171
6.5.4  永磁无刷电动机驱动装置	179
6.6  直流功率转换器	186
6.6.1  驱动控制中的双向DC/DC转换器	186
6.6.2  高、低压转换中的隔离DC/DC转换器	187
6.6.3  锂电池组单体均衡的DC/DC转换器	188
习题6	191
参考文献	193

前    言
    传统汽车的电子技术应用普遍，涉及发动机控制与管理、变速箱自动换挡控制、车轮ASR/ABS、底盘稳定程序控制、电动车窗、助力转向、安全气囊控制、空调采暖系统和车载音响等，提高了汽车的动力性、经济性、舒适性和安全性。为顺应节能环保的时代潮流，汽车的电气化技术发展十分迅速，出现了LED车灯、电动助力转向、电动空调和启停系统等，汽车的低压电源系统也趋向统一的42V电压体系标准。区别于传统汽车，电动汽车的车轮驱动力部分或全部来自电动机，不仅继承了传统汽车低于安全电压的低压电路系统，而且应用了基于动力蓄电池串/并联的高电压直流电路系统。
    在一个与路面相对封闭而运动的汽车系统中，小到一个几十瓦的车灯，大到上百千瓦的驱动电动机及其控制器，相关电路的功率比信息电子电路的功率大。在各自不同的母线电压下，其负载电流较大，从几安培到几百安培，器件的电应力增大，控制的复杂性提高。各个电子电气部件的控制方法对汽车的动力性、经济性、舒适性和安全性有显著的影响，比如电动机及其控制器的逆变技术、高低压DC/DC转换器的直流转换技术、动力蓄电池的车载充电技术等，本书涉及的这些功率电路内容弥补了汽车电子学书籍中的缺口。
    功率电子学和电力电子学在研究内容上没有本质差别，都是研究电源之间电能转换的功率半导体器件、电路拓扑、控制理论与方法，都源于国外译文“Power Electronics”，它们的研究基础是功率半导体器件（Power Semiconductor）。电力电子学起源于功率半导体器件在电力系统中的应用，两者的关系密切。众所周知，汽车在一个工业大国中的地位举足轻重，现有的电力电子学或电力电子技术书籍都是面向电气工程学科的读者，内容涉及基于电网的工业应用对象，对汽车的直流电源系统几乎没有阐述。本书面向从事汽车（特别是电动汽车）技术学习的人员，着重阐述功率电子学在汽车电源系统中的应用，尤其是电动汽车的驱动电动机及其控制器、电动助力转向、电动空调、DC/DC转换器和蓄电池单体均衡电路等。
    本书结构
    绪论	介绍汽车电子化和电动化的发展进程，描述电动汽车的动力系统结构，阐述功率电子学的作用和地位及其研究内容。
    第1章	基本概念。阐述功率电路的常用波形、半导体基础、开关过程、续流、换流、硬开关、软开关、脉宽调制、直流开关、电路的平均状态，将功率电子学的常用概念和基本方法集中介绍。
    第2章	器件的工作原理。阐述功率半导体器件的基本原理、工作特性和应用技术；器件包括功率二极管、双极结型功率晶体管、晶闸管、功率金属氧化物场效应管和绝缘栅双极晶体管。
    第3章	整流技术。阐述不控整流电路、直流滤波电路和相控整流电路；功率二极管和晶闸管是应用的主要功率半导体器件，是车载动力蓄电池充电技术的基础。
    第4章	直流转换技术。阐述DC/DC降压、升压和升/降压电路，它们是电动汽车中两根高压母线之间的电能转换的技术基础；同时对DC/DC隔离电路和同步整流技术的电路的原理和方法做了详细阐述，为设计电动汽车电压母线和低压母线之间的DC/DC转换器奠定了技术基础。
    第5章	逆变技术。阐述了单相和三相电压源逆变器的电路工作原理及SVPWM产生方法，是目前流行的SVPWM电动机控制器技术的电路及控制基础。
    第6章	功率电子技术在电动汽车中的应用。阐述汽车电源系统、电动助力转向系统、电动空调采暖系统和再生协调制动控制系统的工作原理。对于驱动电动机控制系统，总结了纯电动汽车对驱动电动机及其控制器的机械特性要求，阐述了鼠笼式感应电动机和永磁无刷电动机的矢量控制方法，介绍了非隔离DC/DC转换器在电动汽车动力系统中的作用。另外还介绍了用于电动汽车低压电源系统的双管正激式高低压DC/DC的工作原理。对于动力锂电池的管理系统，指出电池单体均衡对电池成组技术的重要性，着重阐述电感式主动均衡的电路工作原理。
    本书特色
    用图和表帮助读者理解功率电子学的基本概念、电路拓扑及其工作原理，采用PSIM软件仿真功率电子电路波形；集中一章阐述功率电子学中的一些基本概念，这些概念往往是大量的关键词，以帮助初学者理解其研究性文献；针对电动汽车阐述汽车控制的功率电子电路结构和工作原理。
    致谢
    在本书完稿之际，对书末所附参考文献的作者致以衷心的感谢！书中的引用不当之处，恳请读者提出宝贵建议。
    由于编著者学识有限，本书编写时间又紧张，书中难免有疏漏和错误，殷切希望研读本书的教师、学生、学者和其他工程技术人员批评指正。
    本书编著者邮箱：CXM2004@bit.edu.cn.

                                                                        编著者
                                                                        2011.9

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