功率变换开关技术（修订版）电力电子的核心理论_金东海_9787111582489

电力电子技术在电力系统、新能源发电、电动汽车、电力牵引以及家用电器等众多领域快速发展，电力电子化已成为一种发展趋势，然而现在大多数电力电子技术教材是由既成技术的集合体形成的，从而造成教材内容缺少理论及体系化的现实，在此背景下，编写一本具备理论及体系化且适应电力电子技术发展需求和人才培养需求的教科书，显得尤为重要。本书首先概述电力电子变换技术的基础原理及概况，其次说明半导体开关器件原理及其用法，对功率变换方式进行了分类，并形成体系化。然后对直流-直流变换、直流-交流变换、交流-直流变换和交流-交流变换四大类电路进行分析，并讨论像软开关等其他开关技术。后列举说明电力电子技术在各种系统中的应用。本书可作为电气信息类专业高年级本科生以及研究生的教材，也可作为电气自动化领域科技工作者的参考用书。

　　１９５７年７月，美国ＧＥ公司开发出晶闸管产品（当时称为可控硅，ＳｉｌｉｃｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＲｅｃｔｉｆｉｅｒ，ＳＣＲ）。同年４月起，作者作为日本东京大学的一名硕士生，开始在恩师山田直平教授的研究室学习。作为当代日本的水银整流器技术第一人，山田教授很早从ＧＥ公司得到了晶闸管，并着手对其特性进行分析、评价和应用研究。从那一年起，电力电子时代拉开序幕。勤奋钻研水银整流器技术的人们对该项新的发明满怀期待，同时为新时代的到来而欢呼雀跃。作者亲眼目睹了那时的情景。之后，电力电子技术的发展突飞猛进，逐步成为了所有产业领域的中心技术之一。２００３年，作者曾写了本书的第１版，并由日本电气学会出版。１０年来伴随技术的进步，作者研究了功率变换相关的基础原理，并添加到了修订版之中。尽管完成度多少还有些不足，但作者相信修订版已能达到构建体系化理论的目标，并确信它将有助于今后电气技术教育的改善与发展。

　　２００３年写了本书第１版以来，作者一直从学术的观点上对电力电子学的教育方法进行推敲，并考虑有必要对图１所示的电气工程教育课程进行修订。

　　近年来，随着电力电子技术广泛应用于电气应用领域，电气工程已经进入了电力电子时代。因此，电气工程的教育也应以此为中心进行开展。电力电子学的核心是以开关为基础的功率变换技术，所以作者将它命名为《功率变换开关技术》。其后，作为它的应用技术可以有《电气设备》和《电力技术（发输配电）》等教科书。而全体技术的前提则是“电力电子学”。图１的右图表示了作者提出的教育课程的方向。

　　首先，电力电子技术适用于所有的电力应用装置，也可以说它是应用以功率变换而组成的高性能电源的综合技术。譬如，现在直流电机衰退，交流调速旋转电机盛行，因此《电机设备学》不仅要讨论商用电源驱动的特性，而且也必须探讨高性能电源驱动交流调速电机的功能。所以，从顺序上讲，应该先学习功率变换开关技术，然后学习现代电机。在此之外，电力电子技术既是新发展起来的再生能源利用的推动力，也是实现高性能输配变电的基础技术，所以它是论述所谓智能电网的必需技术。因此，它也是今后发输配电的主要技术。综上所述，在大学的教科书中，必须先学习电力电子中核心的功率变换开关技术。

　　Ⅵ功率变换开关技术（修订版）电力电子的核心理论大学电气工程系课程修订预想图其次，作者也深入考虑了内容的深度。为了培养一批将来具有先进水平的电机技术人员，同时，作为日本电气学会出版的重要教科书，本书组织了丰富的内容去支撑整个课程，而且，针对学习能力很强的学生，还考虑了内容扩展，不使他们失望。

　　此外，对于本书中构建的新的理论体系，还添加了一些不可或缺的新术语。在制定术语时，每个都进行了充分的推敲。并且，对觉得有问题的现有术语也一一考虑其过去、现在和将来的含义，并加以最相适应的修改。

　　最后，在本书第１版或者修订版中，可能存在很多不恰当的地方，敬请谅解。本书修订版中，作者努力改善了这些需要修正的内容，真诚希望能够得到读者对各种各样问题的热情细致的评论，并借此机会衷心感谢您批评指正。

　　金东海２０１４年９月

译者序原书序言本书中所用的主要变量符号及主要后缀符号第１章　电力电子变换技术的概况１　１.１　开关和功率变换电路１　１.２　功率变换原理３　１.３　电力电子与功率变换电路４　　１.３.１　电压源和电流源的定义５　　１.３.２　功率变换器的输入输出特性５　　１.３.３　对变换电路的等价电源电路表示６　　１.３.４　等价电源和等价负载的分类８　１.４　功率变换的系统构成９　１.５　在电力电子中的应用１０　１.６　ＥＭＣ问题１１　综合问题１２第２章　半导体开关器件１３　２.１　硅半导体物理性质的基本内容１３　２.２　ｐｎ结和二极管１５　　２.２.１　ｐｎ结二极管１５　　２.２.２　ｐｉｎ二极管１８　　２.２.３　少数载流子累积效应和异常电压１９　　２.２.４　缓冲电路２０　　２.２.５　缓冲电路设计２１　２.３　电力晶体管２２　２.４　晶闸管２４　　２.４.１　４层结构ｐｎｐｎ器件的特征２４　　２.４.２　唯一的他励关断器件２５　　２.４.３　双向导通晶闸管———双向晶闸管２７　２.５　ＧＴＯ晶闸管及ＧＣＴ晶闸管２７　２.６　ＭＯＳＦＥＴ３０　　２.６.１　ＤＭＯＳＦＥＴ３１　　２.６.２　ＴＭＯＳＦＥＴ３２　２.７　ＩＧＢＴ３３　　２.７.１　沟槽型ＩＧＢＴ３４　　２.７.２　ＰＭ和ＩＰＭ３５　２.８　肖特基势垒二极管３７　２.９　开关器件的特性与分类３７　　２.９.１　开关器件的基本特性３７　　２.９.２　各种开关器件及其特征３９　　２.９.３　二极管：状态控制器件４０　２.１０　功率器件的使用方法４０　　２.１０.１　门极驱动４０　　２.１０.２　器件散热４１　　２.１０.３　异常电压保护４２　　２.１０.４　异常电流保护４２　综合问题４２第３章　功率变换的内容分类及体系化４４　３.１　基本电路拓扑及ＳＤＡ编号４４　３.２　功率变换方式分类４６　　３.２.１　环路切换型功率变换４６　　３.２.２　电源切换型功率变换４７　　３.２.３　复合型功率变换４９　　３.２.４　基本功率变换方式的比较４９　３.３　ＳＤＡ的等效电子开关表示５０　３.４　对本书采用的新概念和新术语的说明５０　　３.４.１　持流电抗器和链接电容器的作用５１　　３.４.２　持流电感的功能与作用５２　综合问题５２第４章　直流－直流变换５３　４.１　降压斩波器５３　４.２　升压斩波器５５　４.３　升降压斩波器５６　４.４　斩波器的动作模式和动作分析方法５８　　４.４.１　电流连续模式和状态平均法５８　　４.４.２　电流不连续模式和能量平衡法６０　　４.４.３　作为负载的斩波器的功能６２　　４.４.４　电路动作的计算机仿真６７　４.５　两象限运行与四象限运行的斩波电路７０　　４.５.１　两象限运行的斩波电路７１　　４.５.２　四象限运行的斩波电路７３目　　录Ⅸ　　　４.５.３　四象限斩波电路的控制７５　　４.５.４　环路切换型功率变换的要点７７　　４.５.５　开关器件的死区时间８０　４.６　隔离型变换电路和ＤＣ－ＤＣ变换器８０　　４.６.１　两绕组电抗器８１　　４.６.２　两绕组电抗器和反激变换器８２　　４.６.３　变压器和正激变换器８４　　４.６.４　全桥ＤＣ－ＤＣ变换器８６　４.７　直流－直流变换电路的应用与特征８９　　４.７.１　在光伏发电逆变单元中的应用９０　　４.７.２　对直流－直流变换装置特点的讨论９２　综合问题９２第５章　直流－交流变换９４　５.１　单相逆变器９４　　５.１.１　基于ＰＷＭ的交流变换基本概念９５　　５.１.２　等价电源９７　５.２　三相逆变器１００　　５.２.１　基于ＰＷＭ的三相交流的产生１０１　　５.２.２　空间矢量法———统一处理三相数值的方法１０３　　５.２.３　三相交流电路的空间矢量表示１０５　　５.２.４　空间矢量的旋转坐标系表示１０８　　５.２.５　基于空间矢量的功率计算１１２　　５.２.６　三相逆变器中电压空间矢量的产生１１３　　５.２.７　采用空间矢量的逆变器驱动电路分析１２１　　５.２.８　同步ＰＷＭ和异步ＰＷＭ１２４　５.３　形成电流源的三相逆变器１２５　　５.３.１　电流源型逆变器１２６　　５.３.２　具有电流控制环的电流型逆变器１２８　５.４　高压逆变器和大功率逆变器１３３　　５.４.１　三电平逆变器（ＮＰＣ逆变器）１３３　　５.４.２　三电平逆变器的控制１３５　　５.４.３　级联式逆变器１３７　　综合问题１４１第６章　交流－直流变换１４３　６.１　电容输入型整流电路１４３　　６.１.１　单相半波整流电源与偏磁现象１４３　　６.１.２　单相全波电容输入型整流电路１４５　　６.１.３　电容输入型三相桥式整流电路１４８ Ⅹ　功率变换开关技术

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