電力電子技術

本書的主要內容包括不可控、半控及全控的功率半導體器件原理及分析，PWM開關變換器的拓撲結構，PWM開關器件的穩態建模，小信號建模，控制器設計，高頻磁芯元件的分析與設計，PWM開關晶元、軟開關晶元的原理分析及軟開關原理。

本書可以作為高等院校相關專業的學生教材，也可以作為從事開關電源UPS等電力電子裝置開發、設計工程技術人員參考用書。

第1章 緒論　1

1.1 電力電子技術簡介　1

1.2 開關電源　6

1.2.1 開關電源的分類　6

1.2.2 開關電源的發展　7

1.3 電力電子與相關學科的關係　10

第2章 穩態開關電路的分析與建模方法　11

2.1 變換器穩態分析法　11

2.1.1 穩態分析法簡介　11

2.1.2 電感伏秒平衡、電容電荷平衡原則和小波紋近似法　13

2.1.3 Boost變換器　18

2.1.4 Buck-Boost變換器　21

2.2 Cuk、Sepic和Zeta變換器　23

2.2.1 Cuk變換器　23

2.2.2 Sepic變換器　26

2.2.3 Zeta變換器　29

2.3 6種DC-DC開關變換器基本電路比較　31

2.4 穩態等效電路模型　32

2.4.1 直流變壓器模型　32

2.4.2 電感銅損耗　34

2.4.3 構建等效電路模型　36

2.5 如何對脈衝輸入端建模　39

第3章 非連續導電模式的穩態分析　43

3.1 Buck變換器非連續導電模式的臨界條件　43

3.2 Boost變換器非連續導電模式的臨界條件　50

3.3 Buck-Boost變換器　55

3.4 Cuk變換器　58

3.5 Zeta變換器　60

3.6 Sepic變換器　62

第4章 電力電子器件　67

4.1 電力電子器件概述　67

4.1.1 簡介　67

4.1.2 電力電子器件的發展　68

4.1.3 電力電子器件的分類　69

4.2 功率二極體　69

4.2.1 PN結　69

4.2.2 PN結的電容效應　70

4.2.3 PN結的反向擊穿　71

4.3 功率二極體的結構及特性　71

4.3.1 功率二極體穩態伏安特性　72

4.3.2 功率二極體開關特性　73

4.3.3 功率二極體性能參數　74

4.3.4 功率二極體的分類　75

4.4 晶閘管　76

4.4.1 晶閘管的結構　76

4.4.2 晶閘管的工作原理　77

4.4.3 晶閘管的基本特性　78

4.4.4 晶閘管的主要參數　80

4.5 晶閘管的派生器件　81

4.6 功率場效應管　84

4.6.1 基本結構與工作原理　84

4.6.2 多元集成結構　86

4.6.3 MOSFET的靜態特性　86

4.6.4 MDSFET的動態特性　88

4.6.5 安全工作區　89

4.7 功率MOSFET新進展　91

4.7.1 CoolMOS　91

4.7.2 低壓低通態電阻MOSFET　93

4.8 大功率晶體管　94

4.8.1 結構　94

4.8.2 工作特性　95

4.8.3 GTR的主要參數　96

4.8.4 GTR的二次擊穿現象與安全工作區　97

4.9 絕緣柵雙極型晶體管　98

4.9.1 IGBT基本結構　98

4.9.2 IGBT與功率MOSFET的比較　99

4.9.3 IGBT的工作原理　99

4.9.4 IGBT的特性　101

4.9.5 IGBT的開關特性　102

4.9.6 IGBT的安全工作區　103

4.10 幾種新型IGBT介紹　104

4.10.1 IGBT製造技術的發展歷史　104

4.10.2 穿通型IGBT　105

4.10.3 非穿通型IGBT特性　105

4.10.4 逆阻型IGBT　106

4.10.5 溝槽終止型與場終止型IGBT　106

4.11 其他新型電力電子器件概述　107

第5章 開關電路　109

5.1 開關電路變換　109

5.1.1 交換源與負載　109

5.1.2 開關電路的級聯　110

5.1.3 三端單元的旋轉　112

5.2 開關電路簡單列舉　114

5.3 具有變壓器隔離的變換電路　117

5.3.1 全橋與半橋隔離式Buck電路　118

5.3.2 正激式變換器　123

5.3.3 Buck衍生的推挽式開關電路　127

5.3.4 反激式開關電路　128

5.3.5 Boost電路衍生的隔離式開關電路　130

5.3.6 隔離式Sepic和Cuk電路　132

第6章 開關電源占空比控制晶元原理　137

6.1 開關電源系統的隔離技術　137

6.2 開關電源控制晶元　138

6.3 電壓模式控制晶元　138

6.4 電流模式控制電路　140

6.5 軟開關電源集成控制器　145

6.6 單片開關電源　151

6.6.1 TOPSwitch-II系列單片開關電源的性能特點　152

6.6.2 TOPSwitch-II系列單片開關電源的工作原理　153

6.6.3 TOPSwitch-FX系列單片開關電源　158

6.6.4 Topswitch-GX第四代單片開關電源　163

第7章 小信號開關電路的建模方法　164

7.1 簡介　164

7.2 基本的交流建模方法　166

7.2.1 對電感的波形求均值　167

7.2.2 近似均值的討論　167

7.2.3 對電容電流參數的波形求均值　168

7.2.4 對輸入電流求均值　169

7.2.5 微擾和線性化　169

7.2.6 小信號等效電路模型的構成　171

7.2.7 關於微擾和線性化過程的討論　173

7.2.8 基本變換器的小信號等效模型　174

7.2.9 非理想反激式的小信號等效模型　175

7.3　狀態空間平均　179

7.3.1 網路的狀態方程　179

7.3.2 基本的狀態空間平均模型　180

7.3.3 狀態空間平均結果的討論　182

7.4 電路平均和平均開關建模　187

7.4.1 獲得時不變電路　189

7.4.2 電路平均　189

7.4.3 微擾和線性化　190

7.4.4 三端開關網路　193

7.5 開關電路統一的電路模型　196

7.6 脈寬調製器的小信號模型　198

第8章 開關電路的傳輸函數及控制部分設計　201

8.1 波特圖回顧　201

8.1.1 單實極點響應　201

8.1.2 單實零點響應　203

8.1.3 較複雜的傳輸函數　205

8.2 雙極點二次函數　206

8.3 二型誤差放大器　208

8.4 三型誤差放大器　210

8.5 變換器的傳輸函數分析　212

8.6 開關電源控制的設計　218

8.6.1 引言　218

8.6.2 反饋對傳輸函數的影響　219

8.7 穩定性　221

8.7.1 相位判據　222

8.7.2 相位裕量與品質因數的關係　223

8.8 補償器的設計　223

8.8.1 簡介　223

8.8.2 利用二型三型誤差放大器做補償放大器　224

8.8.3 超前補償器　225

8.8.4 滯後補償器　226

8.8.5 滯后超前補償器　227

8.9 設計實例　228

第9章 磁性元件　237

9.1 磁性材料的基本特性　237

9.1.1 磁場的基本物理量　237

9.1.2 磁路的歐姆定律　238

9.1.3 磁性材料的磁特性及其功率損耗　239

9.1.4 線圈中的渦流　241

9.2 幾種常用磁性器件　243

9.2.1 直流輸出濾波電感　243

9.2.2 交流電感　243

9.2.3 耦合電感　244

9.2.4 變壓器　244

9.2.5 反激式變壓器　245

9.3 濾波電感設計　245

9.3.1 濾波電感設計的基本約束條件　245

9.3.2 濾波電感鐵芯的幾何常數　247

9.3.3 濾波電感的設計流程　247

9.3.4 多繞組電感的設計　248

9.3.5 濾波電感設計舉例　249

9.4 變壓器設計　251

9.4.1 變壓器設計的基本約束條件　251

9.4.2 變壓器的設計流程　253

9.4.3 變壓器設計舉例　254

第10章 軟開關變換器簡介　258

10.1 硬開關損耗　258

10.2 高頻化與軟開關　259

10.3 諧振開關的類型　259

10.3.1 准諧振開關電路　259

10.3.2 零開關PWM電路　262

10.3.3 零轉換PWM電路　265

附錄 常用符號及縮略語　270

參考文獻　272