电力电子学与能源变换系统 概论与硬开关变换器PDF电子书下载

第1章 概论 1

1.1 能源变换电子电路的应用领域 1

1.1.1 信息和电信产业的应用 1

1.1.2 可再生能源变换的应用 3

1.1.3 未来的能源变换——燃料电池 4

1.1.4 电动车辆 5

1.1.5 电子显示装置的应用 6

1.1.6 音频放大器 7

1.1.7 便携式电子设备 7

1.1.8 高电压物理实验和粒子加速器的应用 8

1.1.9 照明技术 8

1.1.10 AC-AC变频器 9

1.1.11 电力系统调节 9

1.1.12 制造业的能源回收 9

1.1.13 航空航天的应用 10

1.1.14 国防应用 11

1.1.15 传动和大功率工业的应用 12

1.1.16 电力电子电路的分类 13

1.2 电力电子电路工作的基本原理 14

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 20

1.3.1 不可控开关——功率二极管 21

1.3.2 半可控开关（晶闸管） 24

1.3.3 可控开关 25

1.3.4 氮化镓（GaN）开关技术 35

1.3.5 功率开关的能耗 38

1.3.6 无源电抗元件 46

1.3.7 超级电容器 60

1.4 占空比控制的恒定开关频率变换器的基本稳态分析 61

1.4.1 基本DC-DC变换器的输入／输出电压比 61

1.4.2 连续和断续导通工作模式 64

1.4.3 基本变换器的元件设计 65

1.4.4 占空比控制（PWM）的控制器 66

1.4.5 变换效率，硬开关和软开关 68

1.5 开关电容（SC）变换器简介 71

1.6 频率控制的变换器 76

1.6.1 谐振变换器 76

1.6.2 准谐振变换器（QRC） 81

1.7 AC-DC整流器和DC-AC逆变器概述 87

1.7.1 整流器 87

1.7.2 逆变器 94

1.8 范例分析 100

1.8.1 范例1 100

1.8.2 范例2 105

1.8.3 范例3 107

1.9 本章小结 110

习题 110

参考文献 112

第2章 DC-DC变换器建模 115

2.1 功率级建模的目的 115

2.2 平均状态空间方程和低纹波近似（时间线性化） 117

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 121

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 121

2.3.2 小信号近似的占空比-输出电压的交流传递函数 122

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 124

2.3.4 CCM工作的Boost、Buck以及Buck-Boost变换器的图解平均模型 138

2.3.5 CCM工作的DC-DC变换器正则图解的平均模型 152

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 157

2.4.1 降阶的平均模型 157

2.4.2 全阶平均模型 171

2.5 平均PWM开关模型 184

2.5.1 连续导通模式（CCM）工作的变换器的平均PWM开关模型 184

2.5.2 断续导通模式（DCM）工作的变换器的平均PWM开关模型 191

2.6 开关电阻和二极管正向电压的平均模型，PWM平均模型 210

2.6.1 开关直流电阻和二极管正向电压的平均模型 210

2.6.2 PWM平均模型 213

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 214

2.7.1 零电流（ZC）谐振开关的平均模型 214

2.7.2 零电压（ZV）谐振开关的平均模型 220

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 223

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 238

2.8 电力电子电路仿真和计算机辅助设计 249

2.9 范例分析 260

2.10 本章小结 263

习题 268

参考文献 270

第3章 传统DC-DC PWM硬开关变换 272

3.1 Buck DC-DC PWM硬开关变换器 272

3.1.1 电感器直流阻抗的影响 272

3.1.2 边界控制 276

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 277

3.1.4 CCM工作的Buck变换器设计 281

3.1.5 带输入滤波器的Buck变换器 284

3.1.6 DCM工作的Buck变换器的稳态分析综述 287

3.1.7 DCM工作的Buck变换器设计 291

3.1.8 Buck变换器动态响应的特点 293

3.2 Boost DC-DC PWM硬开关变换器 296

3.2.1 稳态CCM工作的Boost变换器 296

3.2.2 稳态DCM工作的Boost变换器 301

3.2.3 Boost变换器动态响应的特点 307

3.3 Buck-Boost DC-DC PWM硬开关变换器 309

3.3.1 稳态CCM工作的Buck-Boost变换器 309

3.3.2 稳态DCM工作的Buck-Boost变换器 316

3.3.3 Buck-Boost变换器动态响应的特点 321

3.4 ？uk升-降压型（Boost-Buck）DC-DC PWM硬开关变换器 321

3.4.1 ？uk变换器的推导和开关工作 321

3.4.2 CCM工作的？uk变换器的稳态分析及设计 323

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 328

3.4.4 设计实例和市售？uk变换器 333

3.4.5 ？uk变换器的DCM工作 335

3.4.6 带耦合电感的？uk变换器 344

3.5 SEPIC PWM硬开关变换器 345

3.5.1 CCM工作的SEPIC变换器 346

3.5.2 CCM工作的SEPIC变换器的稳态分析 347

3.5.3 CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析 352

3.5.4 市售SEPIC变换器：实例研究 355

3.5.5 DCM工作的SEPIC变换器 360

3.5.6 DICM工作的SEPIC变换器的交流分析 368

3.5.7 隔离型SEPIC变换器 370

3.6 Zeta（反向SEPIC）PWM硬开关变换器 370

3.6.1 CCM工作的Zeta变换器 371

3.6.2 CCM工作的Zeta变换器的稳态分析 371

3.6.3 CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析 377

3.6.4 设计案例和范例分析 378

3.6.5 DCM工作的Zeta变换器 382

3.6.6 隔离型Zeta变换器 388

3.7 正激变换器（正向变换器） 388

3.7.1 DC-DC变换器结构中高频变压器的作用 388

3.7.2 正激变换器的推导 390

3.7.3 CCM工作的正激变换器 391

3.7.4 DCM工作的正激变换器和CCM与DCM的设计考虑 398

3.7.5 多路输出正激变换器 401

3.7.6 其他的磁芯复位策略 402

3.7.7 实用设计案例：范例分析 409

3.8 隔离型？uk变换器 412

3.9 反激变换器 416

3.9.1 反激变换器推导 416

3.9.2 反激变换器的CCM和DCM工作 417

3.9.3 耦合电感器漏感的影响 424

3.9.4 反激变换器的小信号模型 431

3.9.5 反激变换器的设计：范例分析——实际考虑 432

3.10 推挽变换器 438

3.10.1 降压型的推挽变换器（电压驱动） 438

3.10.2 CCM下的推挽变换器 438

3.10.3 推挽变换器中的非理想因素 443

3.10.4 DCM工作 445

3.10.5 升压型的推挽变换器（电流驱动） 450

3.10.6 设计实例 454

3.11 半桥变换器 457

3.11.1 Buck半桥变换器拓扑 457

3.11.2 CCM工作 457

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 464

3.11.4 实际问题 464

3.11.5 DCM工作 466

3.11.6 电流驱动半桥变换器 469

3.12 全桥变换器 472

3.12.1 全桥拓扑 472

3.12.2 Buck全桥变换器的CCM工作 474

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 482

3.12.4 实际问题 483

3.12.5 其他晶体管控制方式：移相控制 484

3.12.6 电流驱动型全桥变换器 486

3.13 本章小结 490

习题 498

参考文献 502

第4章 DC-DC变换器的衍生结构 506

4.1 推挽、半桥和全桥变换器的倍流整流器（Current Doubler Rectifier，CDR） 506

4.1.1 倍流整流器的周期运行 507

4.1.2 具有倍流整流器（CDR）的变换器的电压变换比 510

4.1.3 电流纹波率 511

4.1.4 其他结构的倍流整流器（CDR） 512

4.1.5 倍流整流器的缺点 515

4.1.6 三倍流或多倍流整流器 516

4.2 倍压和多倍压整流器 517

4.2.1 全波桥式倍压整流器 517

4.2.2 Greinacher倍压整流器 518

4.2.3 三倍压器及常规的Cockcroft-Walton多倍压器 521

4.2.4 单电容倍压器 522

4.2.5 斐波那契开关电容多倍压器 523

4.2.6 分压器 526

4.2.7 “经济”电源和4×8电源 526

4.3 二次变换器 530

4.3.1 二次Buck变压器 530

4.3.2 Buck-Boost二次变换器（占空比＜0.5） 532

4.4 双开关Buck-Boost变换器 534

4.4.1 升降压交错式双开关Buck-Boost变换器 534

4.4.2 正输出电压的Z源Buck-Boost变换器 537

4.5 开关电容／开关电感集成的基本变换器 540

4.5.1 基于开关电容／开关电感结构的变换器系列 540

4.5.2 KY变换器 552

4.5.3 Watkin-Johnson变换器 556

4.6 Sheppard-Taylor变换器 557

4.6.1 连续导通模式（CCM）工作 557

4.6.2 断续导通模式（DCM）工作 558

4.6.3 隔离型Sheppard-Taylor变换器 562

4.7 有源开关电压应力低的变换器 564

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 564

4.7.2 初级侧开关应力为三分之一输入电压的变换器 566

4.7.3 三电平Boost变换器 568

4.8 电感带抽头的变换器 572

4.8.1 电感带抽头的Buck变换器和VRM（电压调节模块） 573

4.8.2 电感带抽头的Boost变换器 577

4.9 有中心抽头电感的电流驱动双桥变换器 579

4.10 本章小结 584

习题 589

参考文献 589

术语表 591