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