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內容簡介：
随着电力电子技术的迅速发展，其技术已广泛应用于计算机、通信、工业加工和航天航空等领域。因此，从事电力电子技术学习和研究的高校师生以及从事电力电子技术研发的工程技术人员都迫切需要理论性、实用性强的学习资料，这便是我们向同行介绍本书的用意所在。本书是目前行业公认的、*具权威的电力电子技术指导著作之一《电力电子基础》的再版，介绍了电力电子技术的诸多方面，为高校师生和工程技术人员在可再生能源与可替代能源领域的研究及应用提供了基础的文本资料，以此来帮助解决不常见且具有挑战性的问题。为了与实际应用相结合，本书不仅注重介绍该领域的热点和具有前景性的电路应用，而且将电路分析和设计结合在一起，通过应用案例加以分析，从而使读者更容易理解吸收。本书表达严谨、规范，材料全面、系统，因此是电力电子技术原理分析与实际电路设计结合得非常好的一本书。需要说明的是，《电力电子基础》是由美国伊利诺伊大学电气与计算机工程系Philip T. Krein教授编写，共两个版本。本书是基于英文第2版的中译版，电路中的符号均采用第2版原版形式。Copyright 2015 by Oxford University Press Elements of Power Electronics was originally published in English in 2015. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. China Machine Press is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors， omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon. 北京市版权局著作权合同登记 图字：01-2018-8101号。
目錄
目 录译者序前言第Ⅰ部分 基本原理 第1章 电力电子与能源革命 11.1 电气工程的能源基础知识 11.2 电力电子学是什么？ 31.3 电能转换的需求 41.4 历史 51.4.1 整流器和二极管 51.4.2 逆变器和功率晶闸管 61.4.3 电机驱动应用 71.4.4 电源与dc-dc转换 81.4.5 可替代能源处理 101.4.6 能源的未来——电力电子革命 111.4.7 总结与未来发展 121.5 电能转换的目标和方法 131.5.1 基本目标 131.5.2 效率目标——开关器件 141.5.3 可靠性目标—简化与集成 141.5.4 重要变量和符号 151.6 开关功率变换器的能量分析 161.6.1 一段时间的能量守恒 161.6.2 dc-dc变换器的能量流动和动作 181.6.3 整流器的能量流动和动作 211.7 电力电子应用—通用能源推动者 241.7.1 光伏系统结构 241.7.2 风能体系结构 251.7.3 潮汐能体系结构 271.7.4 电气化交通系统结构 281.8 回顾 29习题 30参考文献 33 第2章 开关变换与分析 352.1 引言 352.2 组合传统电路与开关器件 362.2.1 关注构成变换器的开关器件 362.2.2 基于配置的分析 382.2.3 作为设计工具的开关矩阵 392.3 基尔霍夫定律的存在 412.3.1 切换冲突带来的挑战 412.3.2 电压源与电流源的互连 422.3.3 短期与长期的违规操作 432.3.4 电感电压和电容电流平均值的理解 432.3.5 电源转换 442.4 开关函数及其应用 452.5 功率开关器件综述 482.5.1 实际的开关器件 482.5.2 受限开关 492.5.3 典型器件及其功能 502.6 包含二极管电路的配置方式 532.7 基于开关动作的变换器控制 592.8 等效电源法 602.9 仿真 622.10 总结与回顾 62习题 64参考文献 66第Ⅱ部分 变换器及其应用 第3章 dc-dc变换器 673.1 dc-dc变换的重要性 673.2 为何不使用分压器 683.3 线性稳压器 693.3.1 稳压电路 693.3.2 调节措施 713.4 直接dc-dc变换器和滤波器 723.4.1 buck变换器 723.4.2 boost变换器 753.4.3 功率滤波器设计 773.4.4 不连续模式和临界电感 803.5 间接dc-dc变换器 873.5.1 buck-boost变换器 873.5.2 boost-buck变换器 903.5.3 反激式变换器 913.5.4 SEPIC、Zeta和其他间接变换器 943.5.5 间接变换器中的功率滤波器 953.5.6 间接变换器中的不连续模式 963.6 正激变换器与隔离 1003.6.1 基本的变压器运行过程 1003.6.2 正激变换器的一般注意事项 1013.6.3 带捕获绕组的正激变换器 1023.6.4 带有交流链路的正激变换器 1033.6.5 Boost派生（电流馈电）正激变换器 1053.7 双向变换器 1063.8 dc-dc变换器设计问题和实例 1073.8.1 上端开关器件的挑战 1073.8.2 电阻和正向导通压降的限制 1083.8.3 调节率 1103.8.4 太阳能接口变换器 1123.8.5 电动卡车接口变换器 1133.8.6 通信电源 1153.9 应用探讨 1163.10 总结 117习题 119参考文献 123附加书目 125 第4章 整流器和开关电容电路 1264.1 介绍 1264.2 整流器概述 1264.3 经典整流器—运行与分析 1274.4 相控整流器 1334.4.1 不可控整流的情况 1334.4.2 可控整流桥和中点整流器 1374.4.3 多相桥式整流器 1434.4.4 整流器的滤波 1474.4.5 非连续导通模式 1504.5 有源整流器 1534.5.1 boost整流器 1534.5.2 非连续模式反激变换器和相关变换器—有源整流器 1584.5.3 多相有源整流器 1604.6 开关电容变换器 1624.6.1 电容之间的电荷交换 1624.6.2 电容与开关矩阵 1634.6.3 倍压电路 1644.7 电压和电流倍增器 1664.8 变换器设计实例 1674.8.1 风电功率整流器 1674.8.2 电力系统控制和高压直流系统 1694.8.3 固态照明 1704.8.4 车载有源电池充电器 1724.9 应用讨论 1754.10 总结 176习题 178参考文献 183 第5章 逆变器 1855.1 概述 1855.2 逆变器的诸多考虑因素 1855.3 电压源逆变器及其控制方法 1885.4 脉宽调制 1915.4.1 概述 1915.4.2 构建脉宽调制波形 1945.4.3 脉宽调制的缺点 1965.4.4 多电平脉宽调制 1975.4.5 PWM调制下逆变器的输入电流 1995.5 三相逆变器和空间矢量调制 2005.6 电流源逆变器 2055.7 滤波器和逆变器 2065.8 逆变器设计示例 2085.8.1 太阳能接口电路 2085.8.2 不间断电源 2095.8.3 用于电动汽车的高性能驱动器 2115.9 应用讨论 2135.10 总结 214习题 215参考文献 217附加书目 218第 Ⅲ 部分 实际电力电子元件及其特性 第6章 电源和负载 2196.1 引言 2196.2 实际负载 2206.2.1 准稳态负载 2206.2.2 瞬态负载 2226.2.3 应对负载变化—动态调节 2236.3 导线电感 2246.4 临界值和案例分析 2266.5 实际源接口 2296.5.1 源的阻抗特性 2296.5.2 直流源接口 2306.5.3 交流源接口 2326.6 电池的电源特性 2376.
內容試閱
前 言通过为计算机系统、便携式数字产品、固态照明、交通电气化、电机控制、可再生和替代能源、电池管理、家用电器、节能建筑和其他众多应用提供必要的能源支持，电力电子技术有力地推动了21世纪的能源革命。如今，与电力电子装置集成在一起的电机已司空见惯。利用电力电子装置能够实现风能和太阳能与电网之间的互连。采用电动或混合动力的汽车和卡车不但可以减少尾气排放，同时还能提高燃油经济性。在全球电力市场，数据中心和云计算的能耗所占据的份额正日益增加。高性能集成电路也通过电力电子技术将数字电子技术和模拟电子技术进行深度融合。电力电子技术已然成为电气工程和计算机工程专业学生的一项重要研究课题。第2版的《电力电子基础》介绍了电力电子技术各个方面的内容。期望本书能为正在研究这一领域的工程师们提供必要的理论基础，并能帮助其解决不常见或具有挑战性的问题。本书提供了一个能导出各自转换类型的基本框架，并介绍了各种电路是如何从这个基本框架演化出来的。本书给出了制造实际设备和元件的必要材料，还阐述了磁性元件设计和无源元件应用等关键问题，这些问题对于工程设计师而言至关重要。现有的功率半导体和其他功率器件几乎可以解决任何应用的挑战。为解决各种电力电子问题，富有创造力的电路设计工程师能够找到许多实用的解决方案。如果能以新的方法来评估新的或重要的应用，则对于电力电子装置系统层面的理解会非常有价值。相比现有的技术方案，若要实现更为有效、更加可靠、更具成本效益和功能性的解决方案，仍然还有很多工作要做。为什么要学习电力电子？首先，是它很有趣。隐藏在照明、移动、交通运输、信息管理、电池使用、通信、做饭或数据存储等应用背后的是电力电子及其系统所提供的基本能源模块，这些正在深刻地改变世界。其次，由于电力电子技术涉及的领域非常广泛，为寻求对其新的深刻理解，需要充分运用学生所学电气工程专业知识。显然，电路、半导体器件、数字和模拟设计、电磁学、电力系统、电机学和控制等方面的原理性知识对电力电子工程师的帮助很大。最后，对于抽象概念的实现，电力电子技术无疑带来了生机、活力和广度。对于电力电子工程师而言，基尔霍夫定律既是指导设计的灯塔，也是捕捉粗心大意的陷阱。由于功率变换存在广泛的需求，电力电子工程师涉及的功率范围广泛(如从微瓦到兆瓦)，涉及的应用领域众多。第2版新增内容根据学生和读者的反馈意见，本书第2版进行了大量的修订。本书的组织结构与目前正使用的教学次序相匹配。在广泛介绍各种能源转换方式的基础上，第1章中增加了许多关于功率变换的实例。本书将变换器的概念和其他基础信息与电路分析和设计结合在一起，以便与实际应用相联系。本书还增加了更多关于功率滤波器及其设计的案例。本书将高压侧开关等的实现问题放入了变换器设计中，电路运行的各个方面，如断续模式，被涵盖到变换器的分析和设计当中。为可再生能源和可替代能源提供基础的文本资料是本书新增内容的一个目标。许多电力电子工程师之所以从事这一领域，是因为该领域能够提供对能源系统、能源基础设施和全球生活水平进行深刻变革的工具。几乎每一章都新增了用来进行实际应用探讨和强调新能源发展的设计示例。对于可替代能源、固态照明和电力运输这三个典型应用领域，本书以实例或习题的形式加以呈现。本书着重介绍了目前日益增长的各种电路应用，例如，即使在小功率电源中，有源整流器也正在迅速取代无源和经典整流器。关于脉冲宽度调制的讨论也已经扩展到空间矢量调制。电源和负载的章节新增了关于电池、燃料电池和太阳能电池等作为电源的特性介绍。功率半导体器件部分重点介绍了作为能量变换主流器件的功率MOSFET和IGBT。本书还介绍了新兴的宽禁带半导体，特别是SiC和GaN。关于控制部分的章节，通过增加更多的示例进行了重新编排。本书结尾还介绍了诸如ac-ac变换器、谐振电路和几何法控制等前沿问题。通过重点介绍功率变换电路并新增更多的应用实例，修订后的版本较前版更为简洁。本书的每章末尾都对参考书目和习题集进行了扩充。每章习题集中的进阶问题都用图标清晰地标注出来，以鼓励读者挑战难题。这些问题以设计为主，希望读者们在阅读过程中充分发挥自己对电力电子的判断。设计问题存在多种解决方案，并不唯一。组织架构与补充说明本书分为四部分。第Ⅰ部分由两章组成，介绍了开关电源变换的应用和方式。第Ⅱ部分由3章组成，介绍了常见的能量变换电路及其运行原理。第Ⅲ部分由5章组成，介绍了实际元件及其在能量传递过程中的作用，内容涵盖了实际电源和负载、电容、电感、功率半导体和接口电路的各种建模与评估方法。第Ⅳ部分由两章组成，介绍了有关电力电子控制技术方面的内容。本科阶段的电力电子课程可能已经覆盖了本书第1~8章的内容，或许对第9~10章的内容也有所涉及。配套的实验课程涵盖了其他的一些应用实例。研究生阶段的课程则涵盖第9~12章的内容。电路、电子学和电磁学课程被视为已经学习过，本书不再赘述。对已学习过的电机学、模拟和数字滤波器设计、电力系统等课程内容，本书也不做过多阐述，但在有关现代电力和能源问题的广阔背景下，上述课程具有一定的价值，但并非很重要。有几位读者曾问过关于实验的问题。网站(www.oup.com/us/krein)上可以免费获取实验手册电子版，内容包含详尽全面的实验过程。我们的实验室所使用的设备是通过伊利诺伊大学的开源项目Blue Box设计并制造的。根据开源许可协议，所有的电路设计、图样、制造细节和文档都是对公众开放的，但是对于演示PPT和其他课程资料的获取，则需要获得牛津大学出版社的许可。电力电子电路的仿真存在一定的难度，许多读者都问及仿真工具及其方法。本书中的许多电力电子电路仿真是通过Mathcad 或利用Mathematica 的直接方程完成的。除此之外，还有一些行业内广受好评的仿真工具，包括PSIM (www.poweresim.com)以及免费软件PowereSIM (www.poweresim.com)。然而，许多仿真者使用的是PSpice ，这款仿真工具需要特殊的使用技巧，尤其是在分析变换器闭环控制时。专业级仿真工具包括Transim (www.transim.com)以及MATLAB 和Simulink (www.mathworks.com)中专用的电力电子工具箱。一些仿真示例可以从网站中获取。鉴于电力电子仿真工具发展迅速，本书并未对具体的仿真工具做重点介绍。致谢非常感谢诸多学生对本书第1版的内容及其使用所提供的各种反馈。本科生和研究生的教学和实验课程对本书第2版的修订工作起到了指导性作用。本书许多新增章节的内容受到学生们所提挑战性问题的启发，他们对于能源变革的热情是促成本书修订成功的主要动力。在完成本书第2版的过程中，外部审稿人也提供了许多宝贵意见。在此，衷心感谢大家的鼓励与批评。此版本的修订也归功于以下审稿人。Osama Abdel-Rahman，中佛罗里达大学Robert Balog，得克萨斯A&M大学Radian Belu，德雷塞尔大学Simon Foo，佛罗里达州立大学Rob Frohne，瓦拉瓦拉大学Shih-Min Hsu，阿拉巴马大学伯明翰分校Roger King，托莱多大学Brad Lehman，东北大学Maciej Noras，北卡大学夏洛特分校Martin Ordonez，不列颠哥伦比亚大学William L. Schultz，凯斯西储大学Wajiha Shireen，休斯顿大学Russ Tatro，萨加缅度加州州立大学Hamid A. Toliyat，得克萨斯A&M大学Zia Yamayee，波特兰大学Zhaoxian Zhou，南密西西比大学信用与注意事项本书中的多数电力变换电路及其控制技术存在有效专利的保护。本书作者不能保证书中所述的特定电路或方法可用于一般用途，尤其是第8章中关于谐振变换提到的技术资料。本质上，电力电子技术是一门为实现实验室研究的优秀学科。然而，在大家所熟悉的领域之外，电力电子技术还存在很多意想不到的危险，读者在实验操作时应当采取适当的安全事故预防措施。Mathcad属于Mathsoft股份有限公司的注册商标。Mathematica属于Wolfram Research股份有限公司的注册商标。pspice属于MicroSim公司的注册商标。Matlab属于MathWorks股份有限公司的注册商标。Xantrex、Lambda、Kyosan、Magnetek、Semikron、Vicor、Tektronix和Motorola属于其各自公司的注册商标。
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