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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MOSFET 4

1.2.1 沟槽型MOSFET 4

1.2.2 “超级结”结构 5

1.2.3 COOLMOS 6

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IGBT 9

1.3.3 非穿通型IGBT 9

1.3.4 场终止型IGBT 10

1.3.5 其他新型IGBT 11

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DC－DC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 Power System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ZVS PWM全桥变换器 276

7.3.1 移相控制ZVS PWM全桥变换器工作原理 276

7.3.2 移相控制ZVS PWM全桥变换器软开关实现条件 278

7.3.3 移相控制ZVS PWM全桥变换器的占空比丢失 279

7.3.4 移相控制ZVS PWM全桥变换器的优缺点分析 280

7.4 移相控制ZVZCS PWM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

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