中大功率开关变换器 原书第2版PDF电子书下载

第1章 中大功率开关变换器简介 1

1.1 中大功率变换器市场 1

1.1.1 技术现状 1

1.1.2 交通电气化系统 3

1.1.3 传统工业中的应用 5

1.2 本书主要内容 6

1.3 可调速驱动器 8

1.3.1 AC-DC变换器 8

1.3.2 中间电路 9

1.3.3 直流电容器组 9

1.3.4 软充电电路 10

1.3.5 直流电抗器 10

1.3.6 制动电路 10

1.3.7 三相逆变器 11

1.3.8 保护电路 11

1.3.9 传感器 11

1.3.10 电动机的连接 11

1.3.11 控制器 12

1.4 电网接口或分布式发电 13

1.4.1 电网谐波 14

1.4.2 功率因数 14

1.4.3 直流电流注入 14

1.4.4 电磁兼容性和电磁干扰 15

1.4.5 频率和电压变化 16

1.4.6 低压电网的最大连接功率 16

1.5 多变换器电力电子系统 16

1.6 总结 18

参考文献 18

第1部分 传统功率变换器 20

第2章 大功率半导体器件 20

2.1 功率半导体市场现状 20

2.2 功率MOSFET 23

2.2.1 工作原理 23

2.2.2 控制 29

2.3 IGBT 30

2.3.1 工作原理 30

2.3.2 控制及栅极驱动 34

2.3.3 保护 39

2.4 功率损耗估算 41

2.5 有源栅极驱动电路 42

2.6 GTO晶闸管 45

2.7 先进功率器件 45

2.7.1 特种器件 45

2.7.2 高频、高电压器件 46

2.7.3 采用新基板材料的器件 47

2.8 数据手册信息 48

问题 50

参考文献 50

第3章 基本三相逆变器 53

3.1 用作简单开关的大功率器件 53

3.2 逆变器引脚与感性负载工作 54

3.3 什么是PWM算法 56

3.4 基本三相电压源逆变器的工作原理与功能 60

3.5 性能指标的定义和在不同国家使用的术语 65

3.5.1 频率分析 66

3.5.2 三相变换器的调制指数 67

3.5.3 性能指标 67

3.6 利用逆变器波形直接计算谐波频谱 70

3.6.1 准矩形波形分解 70

3.6.2 矢量法 71

3.7 三相逆变器的预编程PWM 72

3.7.1 用于单相逆变器的编程PWM 72

3.7.2 用于三相逆变器的编程PWM 75

3.7.3 二进制编程的PWM 76

3.8 三相逆变器的开关函数建模 77

3.9 电动机驱动电源变换器中的制动脚 78

3.10 AC-DC-AC电源变换器中的直流母线电容器 79

3.11 总结 81

问题 82

参考文献 82

第4章 基于载波的PWM和工作限制 84

4.1 载波PWM算法：历史的重要性 84

4.2 改进基准信号基于载波的PWM算法 88

4.3 压／频驱动中使用的PWM：根据要求的电流谐波系数选择脉冲数 92

4.3.1 工作于低频范围 92

4.3.2 工作于高频范围 94

4.4 采用载波PWM实现谐波抑制 94

4.5 工作限制：最小脉冲宽度 96

4.5.1 利用谐波注入避免脉冲下降 101

4.6 工作限制 106

4.6.1 死区时间 106

4.6.2 零电流钳位 110

4.6.3 过调制 110

4.7 总结 112

问题 112

参考文献 113

第5章 用于基本三相逆变器的矢量PWM 115

5.1 空间矢量理论回顾 115

5.1.1 概念的历史和演变 115

5.1.2 理论：矢量变换和优势 116

5.1.3 三相控制系统的应用 119

5.2 三相逆变器的矢量分析 120

5.2.1 在复平面6步工作电流空间矢量轨迹的数学推导 120

5.2.2 磁通矢量和理想磁通轨迹的定义 124

5.3 SVM理论：通过有源和零状态平均时间间隔的推导 125

5.4 自适应SVM：直流纹波补偿 127

5.5 连接到矢量控制：在（d，q）坐标系中不同形式和时间间隔方程表达式 127

5.6 开关基准函数的定义 130

5.7 开关序列的定义 133

5.7.1 连续基准函数：不同的方法 133

5.7.2 用于降低开关损耗的不连续基准函数 136

5.8 不同矢量PWM之间的比较 143

5.8.1 损耗特性 143

5.8.2 THD/HCF的比较 143

5.9 SVM的过调制 144

5.10 PWM逆变器的V/Hz控制 145

5.10.1 低频工作模式 146

5.10.2 高频工作模式 147

5.11 改善高速变换器的瞬态响应 148

5.12 总结 154

问题 155

参考文献 156

第6章 构建三相功率变换器的实践 159

6.1 三相逆变器中功率器件的选择 159

6.1.1 电动机驱动 159

6.1.2 电网应用 159

6.2 保护 160

6.2.1 过电流保护 160

6.2.2 熔断器保护 163

6.2.3 过温度保护 167

6.2.4 过电压保护 167

6.2.5 缓冲电路 168

6.2.6 栅极驱动器故障 176

6.3 系统保护管理 176

6.4 通过逆变器技术降低共模EMI 177

6.5 取决于功率等级的传统逆变器典型构建结构 180

6.5.1 功率半导体器件的封装 181

6.5.2 变换器的封装 183

6.5.3 外壳 183

6.6 辅助电源 185

6.6.1 技术要求 185

6.6.2 用于电源的集成电路 186

6.6.3 反激式开关电源变换器的工作 188

6.7 总结 190

问题 190

参考文献 191

第7章 热管理与可靠性 193

7.1 热管理 193

7.1.1 理论 193

7.1.2 瞬态热阻抗 195

7.2 可靠性和寿命定义理论 198

7.3 故障和寿命 200

7.3.1 系统故障率 200

7.3.2 器件故障率 200

7.3.3 用于电力电子系统不同元器件的失效率 202

7.3.4 功率半导体器件的故障模式 203

7.3.5 功率半导体器件的损耗机制 203

7.4 寿命计算与建模 204

7.4.1 问题的提出 204

7.4.2 电子设备的加速测试 205

7.4.3 物理故障建模 210

7.5 标准和软件工具 210

7.5.1 标准 210

7.5.2 软件工具 211

7.6 半导体厂商的可靠性测试 213

7.7 可靠性设计 213

7.8 总结 214

参考文献 215

第8章 PWM算法的实现 218

8.1 模拟PWM控制器 218

8.2 混合工作模式电动机控制器集成电路 220

8.3 计数器的数字结构：FPGA实现 221

8.3.1 数字PWM控制器工作原理 221

8.3.2 总线兼容的数字PWM接口 224

8.3.3 SVM控制器的FPGA实现 225

8.3.4 死区时间数字控制器 228

8.4 通用和专用数字处理器市场 228

8.4.1 在功率变换器控制中使用微处理器／微控制器的历史 228

8.4.2 用于功率变换器控制的DSP 231

8.4.3 多处理器结构的并行处理 233

8.5 低成本微控制器的软件实现 234

8.5.1 计数器定时的软件控制 234

8.5.2 时间间隔常数计算 234

8.6 有功率变换器接口的微控制器 239

8.7 电动机控制协处理器 240

8.8 在TI公司的DSP中使用事件管理器 240

8.8.1 事件管理器结构 240

8.8.2 载波PWM的软件实现 241

8.8.3 SVM的软件实现 242

8.8.4 SVM的硬件实现 243

8.8.5 死区时间 245

8.8.6 每个PWM通道 245

8.9 使用闪存 246

8.10 PWM实现的分辨率和精度 248

8.11 总结 250

参考文献 251

第9章 闭环控制的实际应用 253

9.1 作用和原理图 253

9.2 电流测量——与PWM同步 253

9.2.1 并联电阻 253

9.2.2 霍尔传感器 255

9.2.3 电流互感器 256

9.2.4 同步PWM 256

9.3 电流采样率——过采样 257

9.4 （a，b，c）坐标系中的电流控制 258

9.5 电流变换（3→2）变换的软件计算 260

9.6 （d，q）坐标系中的电流控制-模型-PI校准 261

9.7 抗饱和保护——输出限制和范围定义 263

9.8 总结 263

参考文献 264

第10章 IPM 265

10.1 市场和技术考虑 265

10.1.1 历史 265

10.1.2 优点和缺点 266

10.1.3 IGBT芯片 267

10.1.4 栅极驱动器 268

10.1.5 封装 269

10.1.6 其他方法 270

10.2 IPM可用性的审查 270

10.3 IPM器件的使用 273

10.3.1 本地电源 273

10.3.2 再生能量钳位 276

参考文献 276

第2部分 其他拓扑结构 278

第11章 谐振三相变换器 278

11.1 通过谐振与先进PWM器件降低开关损耗 278

11.2 是否还会从谐振大功率变换器中得到好处 280

11.3 IGBT器件的零电压过渡 283

11.3.1 工作于ZVS的功率半导体器件 283

11.3.2 降压变换 286

11.3.3 升压功率变换 289

11.3.4 双向功率传输 292

11.4 IGBT器件的零电流过渡 293

11.4.1 工作于零电流开关的功率半导体器件 293

11.4.2 降压变换 295

11.4.3 升压变换 297

11.5 准谐振变换器的可能拓扑结构 300

11.5.1 极电压 300

11.5.2 谐振直流总线 300

11.6 三相谐振变换器专用PWM 302

问题 302

参考文献 302

第12章 元器件小型化的三相功率变换器 304

12.1 减少元器件数量的解决方案 304

12.1.1 新逆变器拓扑结构 304

12.1.2 直接变换器 307

12.2 B4逆变器 308

12.2.1 B4逆变器的矢量分析 308

12.2.2 对B4逆变器PWM算法的定义 313

12.2.3 直流电压变化的影响和相应的补偿方法 314

12.3 用于两相感应电动机的馈电两引脚变换器 317

12.4 Z源逆变器 318

12.5 总结 320

参考文献 321

第13章 基于三相电压源变换器的AC-DC电网接口 322

13.1 特性-控制目标-有功功率控制 322

13.2 控制系统中PWM的意义 326

13.2.1 单开关应用 326

13.2.2 6开关变换器 335

13.2.3 有电流注入器件的拓扑 340

13.3 闭环电流控制法 343

13.3.1 简介 343

13.3.2 PI电流环 343

13.3.3 瞬态响应时间 344

13.3.4 电压（vd，vq）的限制 345

13.3.5 最小时间电流控制 345

13.3.6 交叉耦合项 347

13.3.7 d轴全可用电压的使用 349

13.3.8 开关表和滞后控制 350

13.3.9 相电流跟踪方法 352

13.4 电网同步 360

问题 362

参考文献 362

第14章 并联和交错式功率变换器 365

14.1 基于多个低功率器件并联解决方案和大功率器件构建的变换器的比较 365

14.2 IGBT器件并联的硬件约束 367

14.3 用于等电流均流的栅极控制电路设计 370

14.4 使用并联器件的并联逆变器引脚的优缺点 371

14.4.1 相间电抗器 372

14.4.2 控制系统 373

14.4.3 变换器控制解决方案 373

14.4.4 电流控制 375

14.4.5 并联变换器系统（d，q）控制的小信号模型 375

14.4.6 （d，q）与（d，q，0）控制 378

14.5 功率变换器的交错工作 378

14.6 循环电流 380

14.7 PWM算法选择 382

14.8 系统控制器 383

14.9 总结 384

问题 385

参考文献 385

第15章 AC-DC和DC-AC电流源变换器 387

15.1 简介 387

15.2 电流换向 388

15.3 使用开关函数来定义电路工作 390

15.4 PWM控制 394

15.4.1 梯形调制 394

15.4.2 谐波消除编程调制 395

15.4.3 正弦调制 396

15.4.4 SVM 397

15.5 PWM算法优化 399

15.5.1 最小二次方误差 400

15.5.2 圆形轮廓 400

15.5.3 降低来自几何轨迹的低次谐波 400

15.5.4 比较结果 400

15.6 电流源逆变器-滤波器组合的交流侧谐振 403

15.7 总结 405

参考文献 405

第16章 9开关拓扑的AC-AC矩阵变换器 407

16.1 背景 407

16.2 功率开关的实现 410

16.3 电流换向 411

16.4 无功功率钳位 413

16.5 PWM算法 413

16.5.1 基于PWM的正弦载波 413

16.5.2 考虑所有可能开关矢量的SVM 417

16.5.3 仅考虑固定矢量的SVM 420

16.5.4 间接矩阵变换器 427

16.5.5 PWM控制实现 428

16.6 总结 431

参考文献 432

第17章 多电平变换器 434

17.1 工作原理和硬件拓扑结构 434

17.1.1 H桥模块 434

17.1.2 飞跨电容多电平变换器 435

17.1.3 二极管钳位多电平变换器 437

17.1.4 组合变换器 439

17.2 设计和评价注意事项 440

17.2.1 半导体额定值 440

17.2.2 无源滤波器 440

17.3 PWM算法 441

17.3.1 工作原理 441

17.3.2 正弦PWM 441

17.3.3 SVM 445

17.3.4 谐波消除 446

17.4 应用细节 447

17.4.1 HVDC线路 447

17.4.2 柔性交流输电系统 448

17.4.3 电动机驱动 448

参考文献 448

第18章 在“开关网络”概念中使用IPM 450

18.1 用于扩展功率范围的电网接口 450

18.2 采用电压源逆变器功率模块的矩阵变换器 456

18.2.1 采用电压源逆变器模块的常规矩阵变换器封装 456

18.2.2 采用电压源逆变器模块的并矢矩阵变换器 457

18.3 由多个功率模块构成的多电平变换器 460

18.4 功率模块的新拓扑构建及其应用 461

18.4.1 周波变换器 461

18.4.2 控制系统 465

18.4.3 PWM发生器 467

18.5 广义矢量变换 469

18.6 采用基于IGBT的AC-AC直接变换器IPM构建电流源逆变器模块 473

18.6.1 硬件开发 473

18.6.2 产品要求 474

18.6.3 性能 477

18.7 利用基于MATLAB的数百万FFT分析直接AC-AC变换器 479

18.7.1 直接或矩阵变换器谐波分析介绍 479

18.7.2 参数选择 482

18.7.3 MATLAB中的FFT 485

18.7.4 直接变换器分析 486

18.7.5 多点THD和HCF分析自动化 490

18.7.6 计算机性能评价 493

参考文献 493