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 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 1
1.1 电气工程的能源基础知识 1
1.2 电力电子学是什么？ 3
1.3 电能转换的需求 4
1.4 历史 5
1.4.1 整流器和二极管 5
1.4.2 逆变器和功率晶闸管 6
1.4.3 电机驱动应用 7
1.4.4 电源与dc-dc转换 8
1.4.5 可替代能源处理 10
1.4.6 能源的未来——电力电子革命 11
1.4.7 总结与未来发展 12
1.5 电能转换的目标和方法 13
1.5.1 基本目标 13
1.5.2 效率目标——开关器件 14
1.5.3 可靠性目标—简化与集成 14
1.5.4 重要变量和符号 15
1.6 开关功率变换器的能量分析 16
1.6.1 一段时间的能量守恒 16
1.6.2 dc-dc变换器的能量流动和
动作 18
1.6.3 整流器的能量流动和动作 21
1.7 电力电子应用—通用能源推动者 24
1.7.1 光伏系统结构 24
1.7.2 风能体系结构 25
1.7.3 潮汐能体系结构 27
1.7.4 电气化交通系统结构 28
1.8 回顾 29
习题 30
参考文献 33
第2章 开关变换与分析 35
2.1 引言 35
2.2 组合传统电路与开关器件 36
2.2.1 关注构成变换器的开关器件 36
2.2.2 基于配置的分析 38
2.2.3 作为设计工具的开关矩阵 39
2.3 基尔霍夫定律的存在 41
2.3.1 切换冲突带来的挑战 41
2.3.2 电压源与电流源的互连 42
2.3.3 短期与长期的违规操作 43
2.3.4 电感电压和电容电流平均值
的理解 43
2.3.5 电源转换 44
2.4 开关函数及其应用 45
2.5 功率开关器件综述 48
2.5.1 实际的开关器件 48
2.5.2 受限开关 49
2.5.3 典型器件及其功能 50
2.6 包含二极管电路的配置方式 53
2.7 基于开关动作的变换器控制 59
2.8 等效电源法 60
2.9 仿真 62
2.10 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 67
3.1 dc-dc变换的重要性 67
3.2 为何不使用分压器 68
3.3 线性稳压器 69
3.3.1 稳压电路 69
3.3.2 调节措施 71
3.4 直接dc-dc变换器和滤波器 72
3.4.1 buck变换器 72
3.4.2 boost变换器 75
3.4.3 功率滤波器设计 77
3.4.4 不连续模式和临界电感 80
3.5 间接dc-dc变换器 87
3.5.1 buck-boost变换器 87
3.5.2 boost-buck变换器 90
3.5.3 反激式变换器 91
3.5.4 SEPIC、Zeta和其他间接
变换器 94
3.5.5 间接变换器中的功率
滤波器 95
3.5.6 间接变换器中的不连续
模式 96
3.6 正激变换器与隔离 100
3.6.1 基本的变压器运行过程 100
3.6.2 正激变换器的一般注意
事项 101
3.6.3 带捕获绕组的正激变换器 102
3.6.4 带有交流链路的正激
变换器 103
3.6.5 Boost派生（电流馈电）
正激变换器 105
3.7 双向变换器 106
3.8 dc-dc变换器设计问题和实例 107
3.8.1 上端开关器件的挑战 107
3.8.2 电阻和正向导通压降的
限制 108
3.8.3 调节率 110
3.8.4 太阳能接口变换器 112
3.8.5 电动卡车接口变换器 113
3.8.6 通信电源 115
3.9 应用探讨 116
3.10 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 126
4.1 介绍 126
4.2 整流器概述 126
4.3 经典整流器—运行与分析 127
4.4 相控整流器 133
4.4.1 不可控整流的情况 133
4.4.2 可控整流桥和中点整流器 137
4.4.3 多相桥式整流器 143
4.4.4 整流器的滤波 147
4.4.5 非连续导通模式 150
4.5 有源整流器 153
4.5.1 boost整流器 153
4.5.2 非连续模式反激变换器和相关
变换器—有源整流器 158
4.5.3 多相有源整流器 160
4.6 开关电容变换器 162
4.6.1 电容之间的电荷交换 162
4.6.2 电容与开关矩阵 163
4.6.3 倍压电路 164
4.7 电压和电流倍增器 166
4.8 变换器设计实例 167
4.8.1 风电功率整流器 167
4.8.2 电力系统控制和高压
直流系统 169
4.8.3 固态照明 170
4.8.4 车载有源电池充电器 172
4.9 应用讨论 175
4.10 总结 176
习题 178
参考文献 183
第5章 逆变器 185
5.1 概述 185
5.2 逆变器的诸多考虑因素 185
5.3 电压源逆变器及其控制方法 188
5.4 脉宽调制 191
5.4.1 概述 191
5.4.2 构建脉宽调制波形 194
5.4.3 脉宽调制的缺点 196
5.4.4 多电平脉宽调制 197
5.4.5 PWM调制下逆变器的
输入电流 199
5.5 三相逆变器和空间矢量调制 200
5.6 电流源逆变器 205
5.7 滤波器和逆变器 206
5.8 逆变器设计示例 208
5.8.1 太阳能接口电路 208
5.8.2 不间断电源 209
5.8.3 用于电动汽车的高性能
驱动器 211
5.9 应用讨论 213
5.10 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 219
6.1 引言 219
6.2 实际负载 220
6.2.1 准稳态负载 220
6.2.2 瞬态负载 222
6.2.3 应对负载变化—动态调节 223
6.3 导线电感 224
6.4 临界值和案例分析 226
6.5 实际源接口 229
6.5.1 源的阻抗特性 229
6.5.2 直流源接口 230
6.5.3 交流源接口 232
6.6 电池的电源特性 237
6.6.1 铅酸电池 238
6.6.2 镍电池 239
6.6.3 锂离子电池 240
6.6.4 基础比较 240
6.7 燃料电池和太阳能电池的电源
特性 242
6.7.1 燃料电池 242
6.7.2 太阳能电池 243
6.8 设计实例 244
6.8.1 风电场互联问题 244
6.8.2 旁路电容的好处 245
6.8.3 升压型有源整流器功率因数校
正的接口 246
6.8.4 小型便携式设备的锂离子电池
充电器 247
6.9 应用探讨 250
6.10 回顾 251
习题 252
参考文献 255
第7章 电容和电阻 257
7.1 简介 257
7.2 电容的种类及其等效电路 257
7.2.1 主要类型 257
7.2.2 等效电路 259
7.2.3 阻抗特性 261
7.2.4 单介质电容的类型和材料 262
7.2.5 电解电容 263
7.2.6 双层电容 265
7.3 等效串联电阻的影响 265
7.4 等效串联电感的影响 268
7.5 导线电阻 269
7.5.1 导线尺寸 269
7.5.2 线路和母线 272
7.5.3 温度和频率的影响 273
7.6 电阻 274
7.7 设计举例 275
7.7.1 单相逆变器的能量 275
7.7.2 低压dc-dc变换器中的并联
电容 276
7.7.3 应用加热灯的电阻管理 278
7.8 应用讨论 279
7.9 简要回顾 280
习题 280
参考文献 283
附加书目 284
第8章 面向电力电子的磁理论 285
8.1 引言 285
8.2 磁近似下的麦克斯韦方程组 285
8.3 材料和性能 286
8.4 磁路 287
8.4.1 磁路等效 287
8.4.2 电感 288
8.4.3 理想变压器和实际变压器 293
8.5 磁滞回线和损耗 295
8.6 磁饱和约束条件 298
8.6.1 饱和极限 298
8.6.2 综合设计注意事项 300
8.7 设计案例 302
8.7.1 磁芯材料和几何结构 302
8.7.2 变压器的补充讨论 305
8.7.3 混合动力汽车升压电感 306
8.7.4 建筑一体化太阳能变换器 307
8.7.5 小型卫星型隔离变换器 311
8.8 应用讨论 314
8.9 小结 316
习题 318
参考文献 320
第9章 变换器中的功率半导体器件 322
9.1 引言 322
9.2 开关器件状态 322
9.3 静态模型 324
9.4 开关能量损耗及实例 329
9.4.1 一般损耗分析 329
9.4.2 换流过程中的能量损耗 330
9.4.3 实例 333
9.5 功率半导体的简单导热模型 336
9.6 作为功率器件的P-N结 340
9.7 P-N结二极管及其替代技术 342
9.8 晶闸管 343
9.9 场效应晶体管 346
9.10 绝缘栅双极型晶体管 349
9.11 集成门极换流晶闸管及其组合
器件 351
9.12 复合半导体和宽带隙半导体的
影响 351
9.13 缓冲电路 352
9.13.1 引言 352
9.13.2 有损关断缓冲电路 353
9.13.3 有损导通缓冲电路 356
9.13.4 组合式无损缓冲电路 359
9.14 设计实例 359
9.14.1 用于磁盘驱动器的升压
变换器 360
9.14.2 电动汽车逆变器的损耗
估算 365
9.14.3 高性能器件 367
9.15 应用讨论 368
9.16 回顾 369
习题 372
参考文献 375
附加书目 376
第10章 功率半导体的器件接口技术 377
10.1 简介 377
10.2 栅极驱动 378
10.2.1 概述 378
10.2.2 电压控制栅极 378
10.2.3 脉冲电流门极驱动 381
10.2.4 其他晶闸管 384
10.3 隔离与高压侧开关 385
10.4 P沟道器件应用及直通 389
10.5 电力电子器件的传感器 390
10.5.1 阻性传感器 390
10.5.2 带栅极驱动的集成传感
方式 392
10.5.3 非接触传感器 394
10.6 设计举例 397
10.6.1 dc-dc电池充电器的栅极
考虑 397
10.6.2 栅极驱动阻抗需求 398
10.6.3 霍尔传感器精度分析 398
10.7 应用讨论 399
10.8 简要回顾 399
习题 401
参考文献 403
附加书目 403
第 Ⅳ 部分 控制方面
第11章 变换器的反馈控制概述 405
11.1 介绍 405
11.2 调节与控制问题 406
11.2.1 介绍 406
11.2.2 定义调节问题 406
11.2.3 控制问题 407
11.3 反馈控制原理论述 407
11.3.1 开环控制和闭环控制 407
11.3.2 系统结构框图 409
11.3.3 系统增益和拉普拉斯变换 410
11.3.4 系统瞬态响应和频域表示 412
11.3.5 系统稳定性 413
11.4 反馈变换器模型 416
11.4.1 基本变换器动态性能 416
11.4.2 快速切换模型 418
11.4.3 分段线性模型 419
11.4.4 离散时间模型 419
11.5 dc-dc变换器的电压控制模式和
电流控制模式 420
11.5.1 电压控制模式 420
11.5.2 电流控制模式 423
11.5.3 电压控制模式和电流控制模式
中的大信号问题 426
11.6 基于比较器的整流系统控制 428
11.7 比例和比例-积分控制的应用 430
11.8 设计实例 432
11.8.1 电压控制模式及其性能 432
11.8.2 前馈补偿和偏移补偿 433
11.8.3 电动汽车控制装置 434
11.9 应用情况讨论 435
11.10 回顾 436
习题 438
参考文献 441
附加书目 441
第12章 控制建模与设计 443
12.1 简介 443
12.2 平均法及其模型 443
12.2.1 平均模型的公式 444
12.2.2 平均电路模型 450
12.3 小信号分析与线性化 451
12.3.1 线性模型的需求 451
12.3.2 获取线性模型 451
12.3.3 过程概括 453
12.4 基于线性化的控制与控制设计 455
12.4.1 传递函数 455
12.4.2 控制设计 459
12.4.3 补偿和滤波 463
12.4.4 补偿反馈实例 466
12.5 设计实例 470
12.5.1 升压变换器控制实例 470
12.5.2 电流模式控制的buck
变换器 473
12.5.3 电压模式控制的buck
变换器 475
12.6 应用讨论 477
12.7 回顾 478
习题 480
参考文献 482
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