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電力電子變換器基礎與設計 版權信息
- ISBN：9787030736307
- 條形碼：9787030736307 ; 978-7-03-073630-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
電力電子變換器基礎與設計 本書特色
在直流功率變換電路的用途多元化和高要求化的背景下，本書致力 于介紹多種電路形式，以便為讀者提供妥善和靈活的應變方案。
電力電子變換器基礎與設計 內容簡介
在直流功率變換電路的用途多元化和高要求化的背景下，本書致力于介紹多種電路形式，以便為讀者提供妥善和靈活的應變方案。
本書共分9章，第1章介紹電力電子技術的背景知識；第2章和第3章以直流功率變換電路為基礎，分別介紹非隔離型DC-DC變換器和隔離型DC-DC變換器；第4章和第5章分別講解各種類型的損耗和小型化研究，這些都是功率變換電路實現(xiàn)高效化和小型化必不可少的基礎知識；第6章～第9章介紹諧振變換器及諧振型開關電容變換器的各種應用電路。
電力電子變換器基礎與設計 目錄
目錄
第1章緒論1
1.1電力電子技術的背景知識3
1.2直流功率變換器的小型化研究3
1.3本書的結構5
第2章非隔離型DC-DC變換器7
2.1斬波電路9
2.1.1電路結構9
2.1.2各種電路的關系10
2.1.3降壓斬波的簡單工作解析10
2.1.4電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式14
2.1.5同步整流模式16
2.2使用兩個電感的斬波電路17
2.2.1電路結構17
2.2.2特征18
2.2.3SEPIC的簡易工作解析19
2.2.4Superbuck變換器的簡單工作解析21
2.3H橋升降壓斬波電路23
2.3.1電路結構和特征23
2.3.2工作解析（同步驅動和交替驅動）24
2.3.3電感的紋波電流28
參考文獻29
第3章隔離型DC-DC變換器31
3.1Flybuck變換器33
3.1.1電路結構33
3.1.2工作解析34
3.1.3含緩沖電路的工作解析36
3.2正激變換器39
3.2.1電路結構39
3.2.2工作解析41
3.3基于斬波電路的其他隔離型DC-DC變換器43
3.4采用橋式電路的隔離型DC-DC變換器44
3.5半橋中間抽頭變換器46
3.5.1電路結構46
3.5.2工作解析47
3.6非對稱半橋變換器49
3.6.1電路結構49
3.6.2工作解析50
3.6.3變壓器的直流偏磁53
3.7DAB變換器54
3.7.1電路結構54
3.7.2工作解析55
3.7.3ZVS區(qū)域60
第4章變換器的各種損耗63
4.1與電流的平方成正比的損耗（熱損耗）65
4.1.1MOSFET的導通電阻65
4.1.2電容器的等效串聯(lián)電阻65
4.1.3變壓器和電感的銅損67
4.2與電流成正比的損耗68
4.2.1IGBT的導通損耗68
4.2.2二極管的正向壓降帶來的導通損耗68
4.2.3開關損耗69
4.2.4ZVS降低開關損耗70
4.3與電流無關的損耗（固定損耗）73
4.3.1MOSFET的輸入電容和輸出電容73
4.3.2二極管的反向恢復損耗74
4.3.3變壓器的鐵損74
4.4功率變換電路的*高效率點75
參考文獻76
第5章變換器的小型化研究及其課題77
5.1小型化研究79
5.2高頻化助力無源元件小型化及其課題79
5.2.1無源元件的充放電電能79
5.2.2高頻化導致?lián)p耗增加80
5.2.3軟開關降低開關損耗80
5.2.4寬帶隙半導體帶來高頻化和損耗降低82
5.3高能量密度無源元件助力小型化83
5.3.1電感和電容器的能量密度83
5.3.2采用電容器的功率變換83
5.4高效化及耐高溫元件助力散熱裝置小型化85
5.5組合開關和無源元件以減少元件數(shù)量85
5.5.1變換器單體與磁性元件組合85
5.5.2系統(tǒng)級別的組合86
參考文獻91
第6章諧振變換器93
6.1概要95
6.1.1諧振變換器的結構和特征95
6.1.2諧振變換器的種類和特征96
6.2串聯(lián)諧振變換器96
6.2.1電路結構96
6.2.2諧振頻率和開關頻率的關系97
6.2.3工作模式（fs＞fr）98
6.2.4基波近似法解析101
6.2.5工作模式（fs＜fr）104
6.3LLC諧振變換器105
6.3.1電路結構105
6.3.2諧振頻率和開關頻率的關系106
6.3.3工作模式（fr0＞fs＞frp）107
6.3.4工作模式（fs＞fr0）110
6.3.5基波近似法解析111
6.3.6ZVS條件113
參考文獻114
第7章開關電容變換器115
7.1概要117
7.2SCC的典型電路結構117
7.3基本電路解析118
7.3.1簡易模型119
7.3.2詳細模型122
7.4SCC電路解析124
7.4.1梯形SCC124
7.4.2串聯(lián)/并聯(lián)SCC127
7.4.3斐波那契SCC129
參考文獻131
第8章開關電容變換器的應用電路133
8.1混合SCC135
8.1.1電路結構和特征135
8.1.2混合梯形SCC的工作136
8.1.3電荷移動解析138
8.1.4電感體積140
8.1.5混合梯形SCC的擴展電路141
8.2移相SCC143
8.2.1電路結構和特征143
8.2.2工作模式144
8.2.3輸出特性147
8.2.4移相SCC的擴展電路148
8.3諧振SCC148
8.3.1電路結構和特征148
8.3.2工作模式149
8.3.3增益特性151
8.3.4諧振SCC的擴展電路153
參考文獻155
第9章通過電容器打造小型化變換器157
9.1羅氏變換器159
9.1.1電路結構和特征159
9.1.2工作模式159
9.1.3電感體積的比較161
9.2采用飛跨電容的降壓斬波162
9.2.1電路結構和特征162
9.2.2工作模式163
9.2.3電感體積的比較165
9.3飛跨電容多電平DC-DC變換器165
9.3.1電路結構和特征165
9.3.2工作模式167
9.3.3電感體積的比較169
參考文獻171
第1章緒論1
1.1電力電子技術的背景知識3
1.2直流功率變換器的小型化研究3
1.3本書的結構5
第2章非隔離型DC-DC變換器7
2.1斬波電路9
2.1.1電路結構9
2.1.2各種電路的關系10
2.1.3降壓斬波的簡單工作解析10
2.1.4電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式14
2.1.5同步整流模式16
2.2使用兩個電感的斬波電路17
2.2.1電路結構17
2.2.2特征18
2.2.3SEPIC的簡易工作解析19
2.2.4Superbuck變換器的簡單工作解析21
2.3H橋升降壓斬波電路23
2.3.1電路結構和特征23
2.3.2工作解析（同步驅動和交替驅動）24
2.3.3電感的紋波電流28
參考文獻29
第3章隔離型DC-DC變換器31
3.1Flybuck變換器33
3.1.1電路結構33
3.1.2工作解析34
3.1.3含緩沖電路的工作解析36
3.2正激變換器39
3.2.1電路結構39
3.2.2工作解析41
3.3基于斬波電路的其他隔離型DC-DC變換器43
3.4采用橋式電路的隔離型DC-DC變換器44
3.5半橋中間抽頭變換器46
3.5.1電路結構46
3.5.2工作解析47
3.6非對稱半橋變換器49
3.6.1電路結構49
3.6.2工作解析50
3.6.3變壓器的直流偏磁53
3.7DAB變換器54
3.7.1電路結構54
3.7.2工作解析55
3.7.3ZVS區(qū)域60
第4章變換器的各種損耗63
4.1與電流的平方成正比的損耗（熱損耗）65
4.1.1MOSFET的導通電阻65
4.1.2電容器的等效串聯(lián)電阻65
4.1.3變壓器和電感的銅損67
4.2與電流成正比的損耗68
4.2.1IGBT的導通損耗68
4.2.2二極管的正向壓降帶來的導通損耗68
4.2.3開關損耗69
4.2.4ZVS降低開關損耗70
4.3與電流無關的損耗（固定損耗）73
4.3.1MOSFET的輸入電容和輸出電容73
4.3.2二極管的反向恢復損耗74
4.3.3變壓器的鐵損74
4.4功率變換電路的*高效率點75
參考文獻76
第5章變換器的小型化研究及其課題77
5.1小型化研究79
5.2高頻化助力無源元件小型化及其課題79
5.2.1無源元件的充放電電能79
5.2.2高頻化導致?lián)p耗增加80
5.2.3軟開關降低開關損耗80
5.2.4寬帶隙半導體帶來高頻化和損耗降低82
5.3高能量密度無源元件助力小型化83
5.3.1電感和電容器的能量密度83
5.3.2采用電容器的功率變換83
5.4高效化及耐高溫元件助力散熱裝置小型化85
5.5組合開關和無源元件以減少元件數(shù)量85
5.5.1變換器單體與磁性元件組合85
5.5.2系統(tǒng)級別的組合86
參考文獻91
第6章諧振變換器93
6.1概要95
6.1.1諧振變換器的結構和特征95
6.1.2諧振變換器的種類和特征96
6.2串聯(lián)諧振變換器96
6.2.1電路結構96
6.2.2諧振頻率和開關頻率的關系97
6.2.3工作模式（fs＞fr）98
6.2.4基波近似法解析101
6.2.5工作模式（fs＜fr）104
6.3LLC諧振變換器105
6.3.1電路結構105
6.3.2諧振頻率和開關頻率的關系106
6.3.3工作模式（fr0＞fs＞frp）107
6.3.4工作模式（fs＞fr0）110
6.3.5基波近似法解析111
6.3.6ZVS條件113
參考文獻114
第7章開關電容變換器115
7.1概要117
7.2SCC的典型電路結構117
7.3基本電路解析118
7.3.1簡易模型119
7.3.2詳細模型122
7.4SCC電路解析124
7.4.1梯形SCC124
7.4.2串聯(lián)/并聯(lián)SCC127
7.4.3斐波那契SCC129
參考文獻131
第8章開關電容變換器的應用電路133
8.1混合SCC135
8.1.1電路結構和特征135
8.1.2混合梯形SCC的工作136
8.1.3電荷移動解析138
8.1.4電感體積140
8.1.5混合梯形SCC的擴展電路141
8.2移相SCC143
8.2.1電路結構和特征143
8.2.2工作模式144
8.2.3輸出特性147
8.2.4移相SCC的擴展電路148
8.3諧振SCC148
8.3.1電路結構和特征148
8.3.2工作模式149
8.3.3增益特性151
8.3.4諧振SCC的擴展電路153
參考文獻155
第9章通過電容器打造小型化變換器157
9.1羅氏變換器159
9.1.1電路結構和特征159
9.1.2工作模式159
9.1.3電感體積的比較161
9.2采用飛跨電容的降壓斬波162
9.2.1電路結構和特征162
9.2.2工作模式163
9.2.3電感體積的比較165
9.3飛跨電容多電平DC-DC變換器165
9.3.1電路結構和特征165
9.3.2工作模式167
9.3.3電感體積的比較169
參考文獻171
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電力電子變換器基礎與設計 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 電力電子技術的背景知識 電力電子技術使用功率半導體器件進行功率變換，上至產(chǎn)業(yè)設備和電力系統(tǒng)等，下至智能手機、筆記本電腦等隨處可見的移動式機器，各種用電領域都會應用到這種技術，用途廣泛，近年來重要性尤為顯著。 以太陽能發(fā)電為代表的再生能源的大量使用、鋰離子電池的誕生、設備的電動化等推動了電力電子技術的發(fā)展。太陽能電池板的低成本化和固定價格收購制度使得太陽能發(fā)電迅速普及，功率變換器中的功率調節(jié)器成為許多家庭和商業(yè)設施的**品。鋰離子電池的誕生使移動設備的驅動時間得到飛躍性的改善，如今很多人都會隨身攜帶數(shù)臺移動設備。移動設備必不可少的充電器和適配器都是功率變換器，與以往的產(chǎn)品相比，它們的重量已得到大幅度降低。隨著汽車的電動化和鋰離子電池性能的提升，電動汽車的續(xù)航里程有了飛躍性的提高。不僅發(fā)達國家，發(fā)展中國家的電動汽車銷量也在節(jié)節(jié)攀升，傳統(tǒng)汽車正以迅雷不及掩耳之勢轉型為電動汽車。當前，許多企業(yè)正為電動汽車的開發(fā)和性能的提升展開激烈的角逐。大眾車型約搭載50個電動機，高級車型上搭載的電動機則過百，而驅動它們的都是功率變換器。以電池為能源的電動汽車需要功率變換器驅動各種車載設備，可以說，電動汽車是各種電力電子技術的結合體。 提升效率和小型化是各個工學領域的普遍課題。在上述背景下，人們對電力電子領域的高效化和小型化要求也越來越高。多數(shù)產(chǎn)品的功率轉換效率已達到90%～95%，某些產(chǎn)品官方公布的功率轉換效率甚至超過98%。換言之，效率的提升空間僅剩幾個百分點，即使今后出現(xiàn)翻天覆地的技術革新，也無法大幅度提高效率。與此相比，功率變換器的小型化還有充足的發(fā)展空間，功率半導體器件和無源元件的性能提升、新型電路形式，以及控制技術的開發(fā)正日新月異地推動著功率變換電路的小型化。今后，如何在不降低功率轉換效率的同時實現(xiàn)小型化將成為關鍵。 1.2 直流功率變換器的小型化研究 斬波電路和DC-DC變換器等直流功率變換器主電路中*占體積和重量的是電感和變壓器等磁性元件，實現(xiàn)整體電路小型化的關鍵就在于如何將這些元件小型化（圖1.1）。電容器的體積也比較大，同樣需要進行小型化研究。MOSFET（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）和IGBT（insulated gate bipolar transistor）等功率半導體開關本身體積很小，但是散熱器等則有大型化的趨勢。隨著功率轉換效率的降低，即損耗的增加，散熱裝置的體積越來越大，因此必須在保持功率轉換效率不變的同時減小磁性元件和電容器的體積。 圖1.1 直流功率變換器主電路中的主要元件 我們可以以傳水桶為例，也就是說將水桶作為運水的容器，運輸?shù)乃咳Q于容器的體積（準確地說是容積）和運輸?shù)念l繁程度（頻率）的乘積。假如水的運輸量不變，要想將容器的體積減小到一半，只需把運水的頻率提高到兩倍。只要提高運輸?shù)念l率，甚至可以用小杯子代替水桶來運輸同樣的水量。 如圖1.2所示，將電路的小型化研究想象成傳水桶就直觀多了。功率變換器中的磁性元件和電容器等無源元件都是能量儲存元件，也就是用于儲存電能的容器。功率變換器的每個開關周期中，能量儲存元件都會從輸入端子向輸出端子傳輸電能。與傳水桶相同，只要提高頻繁程度就可以減小容器的體積（即無源元件小型化）。在電路中，這意味著提高開關頻率。提高功率變換器工作時的開關頻率，就可以在實現(xiàn)磁性元件和電容器等能量儲存元件小型化的同時傳輸?shù)攘侩娔堋? 如果傳水桶的速度過快，就會灑出一部分水。想要避免灑水，只能緩慢平穩(wěn)地運輸。這一點對于功率變換器的開關工作來說也是一樣的。開關時，開關電壓和電流會發(fā)生劇烈變化，同時會產(chǎn)生功率損耗（開關損耗），所以不假思索地提高開關頻率就會造成巨大的開關損耗。因此在開關時要設法緩慢平穩(wěn)地改變電流或電壓（采用軟開關），以降低開關損耗。 圖1.2 水桶傳水和功率變換器傳輸電能 此外，不同種類的能量儲存元件的能量密度也大不相同。也就是說，即便體積相同，不同元件的能量儲存能力也不同。因此可以采用高能量密度的元件來實現(xiàn)電路小型化。而水是非壓縮性流體，在傳水桶中無法采取這種辦法。 綜上所述，本書著重講解功率變換器的小型化研究，通過采用高頻化、高能量密度的無源元件實現(xiàn)小型化。 1.3 本書的結構 本書主要介紹直流功率變換器，交流功率變換器的相關內容請參考其他優(yōu)秀書籍。本書從變換器的基礎知識開始講解，第2章是非隔離型DC-DC變換器（斬波電路）；第3章是隔離型變換器的基礎知識；第4章介紹變換器的各種損耗，講解在變換器的性能指標中與體積并重的效率概念；為了實現(xiàn)變換器的小型化，第5章在高頻化和采取高能量密度無源元件的基礎上介紹其他關鍵內容；第6章介紹采用軟開關工作的諧振變換器的基礎知識；第7～9章在與磁性元件的比較中，通過使用電容器這種高能量密度無源元件來講解實現(xiàn)變換器小型化的各種電路形式的基礎知識。 第2章 非隔離型DC-DC變換器 2.1 斬波電路 2.1 斬波電路 2.1.1 電路結構 非隔離型DC-DC變換器也被稱為斬波電路，是功率變換電路中*基本的一種電路。應用*普遍的斬波電路有降壓斬波、升壓斬波和升降壓斬波三種，圖2.1～圖2.3分別是這三種電路的結構圖。假設開關是MOSFET，Db是MOSFET的漏極和源極之間形成的體二極管。除了輸入濾波電容器Cin和輸出濾波電容器Cout之外，還有開關Q、續(xù)流二極管D和電感L三個元件組成的“單元”［1］。無論哪種斬波電路，都要用任意開關頻率fs驅動開關Q，同時通過操控占空比d（時比率）來調節(jié)輸入電壓Vin和輸出電壓Vout的比。 圖2.1 降壓斬波 圖2.2 升壓斬波 圖2.3 升降壓斬波 2.1.2 各種電路的關系 三種斬波電路的不同在于元件以何種方式連接輸入輸出端口，連接方法不同，降壓、升壓和升降壓的工作情況也不同。為了便于理解，我們設開關Q的漏極或體二極管Db的陰極連接點為節(jié)點A，續(xù)流二極管D的陽極連接點為節(jié)點B，電感L的連接點為節(jié)點C。 圖2.1的降壓斬波中，節(jié)點A連接輸入電源，節(jié)點B接地，節(jié)點C連接輸出（負載）。另一方面，圖2.2的升壓斬波中，對照降壓斬波，節(jié)點A和C交換了位置。升壓斬波的節(jié)點B連接開關，但一般情況下開關和二極管都屬于開關設備，可以根據(jù)電流的方向將開關替換為二極管。也就是說，降壓斬波中的續(xù)流二極管D可以替換為升壓斬波中的開關Q。同樣，降壓斬波的節(jié)點A上的開關Q可以替換為升壓斬波的節(jié)點A上的續(xù)流二極管D。根據(jù)上述分析，我們發(fā)現(xiàn)降壓斬波和升壓斬波可以看作單元左右對稱翻轉的兩種電路。同樣，圖2.3的升降壓斬波也可以看作圖2.1的降壓斬波中的單元逆時針旋轉90°得來的。 2.1.3 降壓斬波的簡單工作解析 1. 工作模式 以降壓斬波為例，工作波形和工作模式分別如圖2.4和2.5所示。 圖2.4 降壓斬波的工作波形
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