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电力电子变换器基础与设计(实现小型化和高效化)
0.00     定价 ¥ 58.00
图书来源: 浙江图书馆(由浙江新华配书)
此书还可采购25本,持证读者免费借回家
  • 配送范围:
    浙江省内
  • ISBN:
    9787030736307
  • 作      者:
    作者:(日)鹈野将年|责编:杨凯|译者:蒋萌
  • 出 版 社 :
    科学出版社
  • 出版日期:
    2023-01-01
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内容介绍
在直流功率变换电路的用途多元化和高要求化的背景下,本书致力于介绍多种电路形式,以便为读者提供妥善和灵活的应变方案。 本书共分9章,第1章介绍电力电子技术的背景知识:第2章和第3章以直流功率变换电路为基础。分别介绍非隔离型DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器;第4章和第5章分别讲解各种类型的损耗和小型化研究,这些都是功率变换电路实现高效化和小型化必不可少的基础知识:第6章~第9章介绍谐振变换器及谐振型开关电容变换器的各种应用电路。 本书可供企业中从事产品开发工作的年轻技术人员阅读,也可作为电力电子专业高年级学生的参考用书。
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精彩书摘

第1章 绪论
  1.1 电力电子技术的背景知识
  电力电子技术使用功率半导体器件进行功率变换,上至产业设备和电力系统等,下至智能手机、笔记本电脑等随处可见的移动式机器,各种用电领域都会应用到这种技术,用途广泛,近年来重要性尤为显著。
  以太阳能发电为代表的再生能源的大量使用、锂离子电池的诞生、设备的电动化等推动了电力电子技术的发展。太阳能电池板的低成本化和固定价格收购制度使得太阳能发电迅速普及,功率变换器中的功率调节器成为许多家庭和商业设施的必备品。锂离子电池的诞生使移动设备的驱动时间得到飞跃性的改善,如今很多人都会随身携带数台移动设备。移动设备必不可少的充电器和适配器都是功率变换器,与以往的产品相比,它们的重量已得到大幅度降低。随着汽车的电动化和锂离子电池性能的提升,电动汽车的续航里程有了飞跃性的提高。不仅发达国家,发展中国家的电动汽车销量也在节节攀升,传统汽车正以迅雷不及掩耳之势转型为电动汽车。当前,许多企业正为电动汽车的开发和性能的提升展开激烈的角逐。大众车型约搭载50个电动机,高级车型上搭载的电动机则过百,而驱动它们的都是功率变换器。以电池为能源的电动汽车需要功率变换器驱动各种车载设备,可以说,电动汽车是各种电力电子技术的结合体。
  提升效率和小型化是各个工学领域的普遍课题。在上述背景下,人们对电力电子领域的高效化和小型化要求也越来越高。多数产品的功率转换效率已达到90%~95%,某些产品官方公布的功率转换效率甚至超过98%。换言之,效率的提升空间仅剩几个百分点,即使今后出现翻天覆地的技术革新,也无法大幅度提高效率。与此相比,功率变换器的小型化还有充足的发展空间,功率半导体器件和无源元件的性能提升、新型电路形式,以及控制技术的开发正日新月异地推动着功率变换电路的小型化。今后,如何在不降低功率转换效率的同时实现小型化将成为关键。
  1.2 直流功率变换器的小型化研究
  斩波电路和DC-DC变换器等直流功率变换器主电路中最占体积和重量的是电感和变压器等磁性元件,实现整体电路小型化的关键就在于如何将这些元件小型化(图1.1)。电容器的体积也比较大,同样需要进行小型化研究。MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)和IGBT(insulated gate bipolar transistor)等功率半导体开关本身体积很小,但是散热器等则有大型化的趋势。随着功率转换效率的降低,即损耗的增加,散热装置的体积越来越大,因此必须在保持功率转换效率不变的同时减小磁性元件和电容器的体积。
  图1.1 直流功率变换器主电路中的主要元件
  我们可以以传水桶为例,也就是说将水桶作为运水的容器,运输的水量取决于容器的体积(准确地说是容积)和运输的频繁程度(频率)的乘积。假如水的运输量不变,要想将容器的体积减小到一半,只需把运水的频率提高到两倍。只要提高运输的频率,甚至可以用小杯子代替水桶来运输同样的水量。
  如图1.2所示,将电路的小型化研究想象成传水桶就直观多了。功率变换器中的磁性元件和电容器等无源元件都是能量储存元件,也就是用于储存电能的容器。功率变换器的每个开关周期中,能量储存元件都会从输入端子向输出端子传输电能。与传水桶相同,只要提高频繁程度就可以减小容器的体积(即无源元件小型化)。在电路中,这意味着提高开关频率。提高功率变换器工作时的开关频率,就可以在实现磁性元件和电容器等能量储存元件小型化的同时传输等量电能。
  如果传水桶的速度过快,就会洒出一部分水。想要避免洒水,只能缓慢平稳地运输。这一点对于功率变换器的开关工作来说也是一样的。开关时,开关电压和电流会发生剧烈变化,同时会产生功率损耗(开关损耗),所以不假思索地提高开关频率就会造成巨大的开关损耗。因此在开关时要设法缓慢平稳地改变电流或电压(采用软开关),以降低开关损耗。
  图1.2 水桶传水和功率变换器传输电能
  此外,不同种类的能量储存元件的能量密度也大不相同。也就是说,即便体积相同,不同元件的能量储存能力也不同。因此可以采用高能量密度的元件来实现电路小型化。而水是非压缩性流体,在传水桶中无法采取这种办法。
  综上所述,本书着重讲解功率变换器的小型化研究,通过采用高频化、高能量密度的无源元件实现小型化。
  1.3 本书的结构
  本书主要介绍直流功率变换器,交流功率变换器的相关内容请参考其他优秀书籍。本书从变换器的基础知识开始讲解,第2章是非隔离型DC-DC变换器(斩波电路);第3章是隔离型变换器的基础知识;第4章介绍变换器的各种损耗,讲解在变换器的性能指标中与体积并重的效率概念;为了实现变换器的小型化,第5章在高频化和采取高能量密度无源元件的基础上介绍其他关键内容;第6章介绍采用软开关工作的谐振变换器的基础知识;第7~9章在与磁性元件的比较中,通过使用电容器这种高能量密度无源元件来讲解实现变换器小型化的各种电路形式的基础知识。
  第2章 非隔离型DC-DC变换器
  2.1 斩波电路
  2.1 斩波电路
  2.1.1 电路结构
  非隔离型DC-DC变换器也被称为斩波电路,是功率变换电路中最基本的一种电路。应用最普遍的斩波电路有降压斩波、升压斩波和升降压斩波三种,图2.1~图2.3分别是这三种电路的结构图。假设开关是MOSFET,Db是MOSFET的漏极和源极之间形成的体二极管。除了输入滤波电容器Cin和输出滤波电容器Cout之外,还有开关Q、续流二极管D和电感L三个元件组成的“单元”[1]。无论哪种斩波电路,都要用任意开关频率fs驱动开关Q,同时通过操控占空比d(时比率)来调节输入电压Vin和输出电压Vout的比。
  图2.1 降压斩波
  图2.2 升压斩波
  图2.3 升降压斩波
  2.1.2 各种电路的关系
  三种斩波电路的不同在于元件以何种方式连接输入输出端口,连接方法不同,降压、升压和升降压的工作情况也不同。为了便于理解,我们设开关Q的漏极或体二极管Db的阴极连接点为节点A,续流二极管D的阳极连接点为节点B,电感L的连接点为节点C。
  图2.1的降压斩波中,节点A连接输入电源,节点B接地,节点C连接输出(负载)。另一方面,图2.2的升压斩波中,对照降压斩波,节点A和C交换了位置。升压斩波的节点B连接开关,但一般情况下开关和二极管都属于开关设备,可以根据电流的方向将开关替换为二极管。也就是说,降压斩波中的续流二极管D可以替换为升压斩波中的开关Q。同样,降压斩波的节点A上的开关Q可以替换为升压斩波的节点A上的续流二极管D。根据上述分析,我们发现降压斩波和升压斩波可以看作单元左右对称翻转的两种电路。同样,图2.3的升降压斩波也可以看作图2.1的降压斩波中的单元逆时针旋转90°得来的。
  2.1.3 降压斩波的简单工作解析
  1. 工作模式
  以降压斩波为例,工作波形和工作模式分别如图2.4和2.5所示。
  图2.4 降压斩波的工作波形

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目录
目录
第1章绪论1
1.1电力电子技术的背景知识3
1.2直流功率变换器的小型化研究3
1.3本书的结构5
第2章非隔离型DC-DC变换器7
2.1斩波电路9
2.1.1电路结构9
2.1.2各种电路的关系10
2.1.3降压斩波的简单工作解析10
2.1.4电流连续模式和电流断续模式14
2.1.5同步整流模式16
2.2使用两个电感的斩波电路17
2.2.1电路结构17
2.2.2特征18
2.2.3SEPIC的简易工作解析19
2.2.4Superbuck变换器的简单工作解析21
2.3H桥升降压斩波电路23
2.3.1电路结构和特征23
2.3.2工作解析(同步驱动和交替驱动)24
2.3.3电感的纹波电流28
参考文献29
第3章隔离型DC-DC变换器31
3.1Flybuck变换器33
3.1.1电路结构33
3.1.2工作解析34
3.1.3含缓冲电路的工作解析36
3.2正激变换器39
3.2.1电路结构39
3.2.2工作解析41
3.3基于斩波电路的其他隔离型DC-DC变换器43
3.4采用桥式电路的隔离型DC-DC变换器44
3.5半桥中间抽头变换器46
3.5.1电路结构46
3.5.2工作解析47
3.6非对称半桥变换器49
3.6.1电路结构49
3.6.2工作解析50
3.6.3变压器的直流偏磁53
3.7DAB变换器54
3.7.1电路结构54
3.7.2工作解析55
3.7.3ZVS区域60
第4章变换器的各种损耗63
4.1与电流的平方成正比的损耗(热损耗)65
4.1.1MOSFET的导通电阻65
4.1.2电容器的等效串联电阻65
4.1.3变压器和电感的铜损67
4.2与电流成正比的损耗68
4.2.1IGBT的导通损耗68
4.2.2二极管的正向压降带来的导通损耗68
4.2.3开关损耗69
4.2.4ZVS降低开关损耗70
4.3与电流无关的损耗(固定损耗)73
4.3.1MOSFET的输入电容和输出电容73
4.3.2二极管的反向恢复损耗74
4.3.3变压器的铁损74
4.4功率变换电路的*高效率点75
参考文献76
第5章变换器的小型化研究及其课题77
5.1小型化研究79
5.2高频化助力无源元件小型化及其课题79
5.2.1无源元件的充放电电能79
5.2.2高频化导致损耗增加80
5.2.3软开关降低开关损耗80
5.2.4宽带隙半导体带来高频化和损耗降低82
5.3高能量密度无源元件助力小型化83
5.3.1电感和电容器的能量密度83
5.3.2采用电容器的功率变换83
5.4高效化及耐高温元件助力散热装置小型化85
5.5组合开关和无源元件以减少元件数量85
5.5.1变换器单体与磁性元件组合85
5.5.2系统级别的组合86
参考文献91
第6章谐振变换器93
6.1概要95
6.1.1谐振变换器的结构和特征95
6.1.2谐振变换器的种类和特征96
6.2串联谐振变换器96
6.2.1电路结构96
6.2.2谐振频率和开关频率的关系97
6.2.3工作模式(fs>fr)98
6.2.4基波近似法解析101
6.2.5工作模式(fs<fr)104
6.3LLC谐振变换器105
6.3.1电路结构105
6.3.2谐振频率和开关频率的关系106
6.3.3工作模式(fr0>fs>frp)107
6.3.4工作模式(fs>fr0)110
6.3.5基波近似法解析111
6.3.6ZVS条件113
参考文献114
第7章开关电容变换器115
7.1概要117
7.2SCC的典型电路结构117
7.3基本电路解析118
7.3.1简易模型119
7.3.2详细模型122
7.4SCC电路解析124
7.4.1梯形SCC124
7.4.2串联/并联SCC127
7.4.3斐波那契SCC129
参考文献131
第8章开关电容变换器的应用电路133
8.1混合SCC135
8.1.1电路结构和特征135
8.1.2混合梯形SCC的工作136
8.1.3电荷移动解析138
8.1.4电感体积140
8.1.5混合梯形SCC的扩展电路141
8.2移相SCC143
8.2.1电路结构和特征143
8.2.2工作模式144
8.2.3输出特性147
8.2.4移相SCC的扩展电路148
8.3谐振SCC148
8.3.1电路结构和特征148
8.3.2工作模式149
8.3.3增益特性151
8.3.4谐振SCC的扩展电路153
参考文献155
第9章通过电容器打造小型化变换器157
9.1罗氏变换器159
9.1.1电路结构和特征159
9.1.2工作模式159
9.1.3电感体积的比较161
9.2采用飞跨电容的降压斩波162
9.2.1电路结构和特征162
9.2.2工作模式163
9.2.3电感体积的比较165
9.3飞跨电容多电平DC-DC变换器165
9.3.1电路结构和特征165
9.3.2工作模式167
9.3.3电感体积的比较169
参考文献171
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