本书共8章,分为四部分:电力电子器件(第1章);基本的电力电子功率变换电路、控制技术及其应用(第2~5章、第7章);软开关技术及应用(第6章);电力电子磁性元件理论及设计(第8章)。
第一部分内容包括常用电力电子器件(功率二极管、晶闸管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管和以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体器件)的基本特性、主要参数、驱动电路和保护方法;第二部分内容包括直流直流变换电路、直流交流变换电路、交流直流变换电路、交流交流变换电路和双向变换器等常用电力电子变流电路的结构、原理、波形分析、参数计算、控制方法及应用;第三部分内容包括软开关技术和LLC谐振变换电路、移相控制零电压开关全桥变换器两种目前应用广泛的软开关电路拓扑分析;第四部分内容包括磁场及磁路基础知识、磁性元件、电力电子装置常用的软磁材料、磁心的工作状态、高频变压器设计和电感设计。
本书可作为高等职业院校自动化类、机电类专业及其他相关专业的教材,也可供从事电力电子技术工作的工程技术人员参考。
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电力电子技术是对电能进行变换和控制的技术,其在工业生产、交通运输、电力系统、新能源发电及家电产品等领域有着广泛的应用,变频器、开关电源、UPS、太阳能及风能发电、有源功率因数校正、高压直流输电、电力有源滤波、电动汽车充电及储能变流器等都是电力电子技术的具体应用。随着电力电子器件的迅速发展和部分新电路拓扑的研究及实用化,电力电子技术的内容得到了极大的丰富。考虑到电力电子器件和电路拓扑的新发展,编写紧密结合行业发展现状及发展趋势的电力电子技术教材有着重要的现实意义。本书以新和实用化为出发点,在内容上具有以下特点。
1)结合行业发展和应用现状,电力电子器件的介绍以功率二极管和全控型器件功率MOSFET和IGBT为主,并引入近年来发展迅猛的以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体器件;驱动电路以行业实际使用的电路为主;器件参数的介绍以实际使用时需重点关注的参数为主。
2)在电力电子主功率电路拓扑方面,对基于晶闸管的变流电路内容进行简化,但基于其在大容量电力系统等方面的应用,仍然介绍了晶闸管变流电路的基本原理和分析方法。本书重点突出基于高频化PWM或PFM控制、采用全控型器件的电力电子变流电路,包括降压斩波电路、升压斩波电路、反激电路、正激电路、推挽电路、半桥和全桥电路;SPWM逆变电路、PWM整流电路,以及基于软开关技术的LLC谐振变换电路和移相控制零电压开关全桥变换器、双向变换器等。
3)在电力电子技术的应用方面,突出开关电源、变频器、UPS、新能源发电以及电力电子技术在电动汽车和储能系统中的应用。
4)鉴于磁性元件在电力电子电路中的重要地位,专门编写了电力电子磁性元件理论及设计章节,在系统介绍磁场及磁路基础知识和常用软磁材料的基础上,对变压器、电感的工作状态和设计方法进行了较为详细的分析。
5)本书立体化配套资源丰富,重要知识点配有教学动画、视频、微课等,以二维码的形式植入;另附有精美电子课件、习题参考答案、模拟试卷和题库等。
本书由包尔恒担任主编,邓桂芳、匡畅担任副主编,何玲和罗欢参与编写。全书由包尔恒统稿。
本书由电力电子行业专家、珠海英搏尔电气股份有限公司技术总监高军担任主审。高军博士对本书提出了许多宝贵意见和建议,本书编写中还参考了众多专家、学者的著作和论文等,在此一并表示衷心的感谢。
由于编者水平有限,书中难免有疏漏和不足之处,恳切希望读者批评指正。
编者
包尔恒:男,汉族,甘肃定西人,2004年华南理工大学电力电子与电力传动专业研究生毕业并获得硕士学位,曾先后就职于中兴通讯股份有限公司、华为技术、艾默生网络能源有限公司从事电力电子产品研发工作10余年,自2014年9月调入广东水利电力职业技术学院自动化工程系从事教学工作。
前言
二维码清单
绪论
一、电力电子技术的定义
二、电力电子技术的发展史
三、电力电子技术的应用
四、本书内容简介及使用说明
第1章电力电子器件
11电力电子器件概述及分类
12功率二极管
121功率二极管的基本特性
122功率二极管的主要参数
123功率二极管的主要类型
13晶闸管
131晶闸管的结构与基本特性
132晶闸管的主要参数
14典型的全控型器件
141功率场效应晶体管
142绝缘栅双极晶体管
15宽禁带半导体场效应晶体管
151碳化硅场效应晶体管
152氮化镓高电子迁移率晶体管
153硅MOSFET、硅IGBT、碳化硅MOSFET、氮化镓EHEMT的选用
16电力电子器件的驱动
161晶闸管的驱动
162功率MOSFET和IGBT的驱动
17电力电子器件及装置的保护
171过电流保护和过电压保护
172过热保护
18电力电子器件的串并联
181晶闸管的串并联
182功率MOSFET和IGBT的并联
习题与思考题
第2章直流直流变换电路
21直接直流变换电路
211降压斩波电路
212升压斩波电路
213电流可逆斩波电路
214桥式可逆斩波电路
22间接直流变换电路
221反激电路
222正激电路
223半桥电路
224推挽电路
225全桥电路
226间接直流变换电路的输出整流电路
23直流直流变换电路的控制技术
231直流直流变换电路PWM控制的基本原理
232电压型和电流型控制模式
24开关电源
241开关电源主功率电路
242开关电源控制电路
习题与思考题
第3章直流交流变换电路
31概述
311逆变的概念
312特殊交流电源的分类
313逆变电路的基本用途及分类
32电压型方波逆变电路
321单相电压型方波逆变电路
322三相电压型方波逆变电路
33正弦脉宽调制逆变电路
331正弦脉宽调制技术的理论基础
332单相正弦脉宽调制逆变电路
333三相正弦脉宽调制逆变电路
334逆变电路输出滤波器的设计
34逆变电路的应用
341光伏发电
342风力发电
343有源电力滤波器
344静止无功发生器
习题与思考题
第4章交流直流变换电路
41单相可控整流电路
411相位控制整流的概念和原理
412单相桥式全控整流电路
42三相可控整流电路
421电阻负载
422阻感负载
423反电动势负载
43可控整流电路的有源逆变工作状态
44晶闸管整流装置的触发控制
45PWM整流技术及功率因数控制
451整流电路的输入电流谐波分量
452功率因数和总谐波畸变
453单相桥式不可控整流器的有源功率因数校正
454单相桥式PWM整流电路
455PWM整流电路交流侧功率因数
456单相半桥式和三相桥式PWM整流电路
457无桥PFC技术
458三相PFC技术:三相维也纳电路
46具有APFC功能的开关电源结构
习题与思考题
第5章交流交流变换电路
51交流无触点双向开关
52单相交流调压电路
521相位控制式单相交流调压电路
522斩波控制式单相交流调压电路
53三相交流调压电路
531相位控制式三相交流调压电路
532斩波控制式三相交流调压电路
54交流调功电路
55交交变频电路
551单相输出交交变频电路
552三相输出交交变频电路
56间接交流交流变换电路
561变压变频电源变频器
562恒压恒频电源UPS
习题与思考题
第6章软开关技术及应用
61概述
62软开关的基本概念
621硬开关与软开关
622零电压开关与零电流开关
63高效率软开关电路拓扑LLC谐振变换电路
631LLC谐振变换电路的结构和增益频率特性
632半桥LLC谐振变换电路工作过程分析
633LLC谐振变换电路的特点
634LLC谐振变换电路的控制
64移相控制零电压开关全桥变换器
641工作原理
642两个桥臂实现零电压开关的差异
643二次侧占空比丢失
644移相控制零电压开关全桥变换器的控制
习题与思考题
第7章双向变换器及储能
71双向直流变换器
711双向BuckBoost变换器
712双BuckBoost双向直流变换器
713全桥隔离型双向直流变换器(双有源全桥)
714双向CLLLC谐振变换器
72双向ACDC变换器
73双向ACAC变换器
74电动汽车中的电力电子技术
75储能
751储能和储能系统组成
752储能的分类
753微电网
习题与思考题
第8章电力电子磁性元件理论及设计
81磁场及磁路基础知识
811磁场的基本概念和物理量
812电磁基本定律
813铁磁物质的磁化曲线
814磁路及其基本定律
82磁性元件
821电感
822变压器
83电力电子装置常用的软磁材料
831软磁铁氧体
832合金磁材料
833磁粉心
84磁心的工作状态
85高频变压器设计
851磁心结构
852最大磁感应强度的选择
853高频变压器设计方法(AP法)
86电感设计
861直流滤波电感的限制条件
862电感计算方法
863AP法确定电感磁心
864电感设计举例
习题与思考题
参考文献