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第1章 中大功率开关变换器简介1

1.1 中大功率变换器市场1

1.1.1 技术现状1

1.1.2 交通电气化系统3

1.1.3 传统工业中的应用5

1.2 本书主要内容6

1.3 可调速驱动器8

1.3.1 AC-DC变换器8

1.3.2 中间电路9

1.3.3 直流电容器组9

1.3.4 软充电电路10

1.3.5 直流电抗器10

1.3.6 制动电路10

1.3.7 三相逆变器11

1.3.8 保护电路11

1.3.9 传感器11

1.3.10 电动机的连接11

1.3.11 控制器12

1.4 电网接口或分布式发电13

1.4.1 电网谐波14

1.4.2 功率因数14

1.4.3 直流电流注入14

1.4.4 电磁兼容性和电磁干扰15

1.4.5 频率和电压变化16

1.4.6 低压电网的最大连接功率16

1.5 多变换器电力电子系统16

1.6 总结18

参考文献18

第1部分 传统功率变换器20

第2章 大功率半导体器件20

2.1 功率半导体市场现状20

2.2 功率MOSFET23

2.2.1 工作原理23

2.2.2 控制29

2.3 IGBT30

2.3.1 工作原理30

2.3.2 控制及栅极驱动34

2.3.3 保护39

2.4 功率损耗估算41

2.5 有源栅极驱动电路42

2.6 GTO晶闸管45

2.7 先进功率器件45

2.7.1 特种器件45

2.7.2 高频、高电压器件46

2.7.3 采用新基板材料的器件47

2.8 数据手册信息48

问题50

参考文献50

第3章 基本三相逆变器53

3.1 用作简单开关的大功率器件53

3.2 逆变器引脚与感性负载工作54

3.3 什么是PWM算法56

3.4 基本三相电压源逆变器的工作原理与功能60

3.5 性能指标的定义和在不同国家使用的术语65

3.5.1 频率分析66

3.5.2 三相变换器的调制指数67

3.5.3 性能指标67

3.6 利用逆变器波形直接计算谐波频谱70

3.6.1 准矩形波形分解70

3.6.2 矢量法71

3.7 三相逆变器的预编程PWM72

3.7.1 用于单相逆变器的编程PWM72

3.7.2 用于三相逆变器的编程PWM75

3.7.3 二进制编程的PWM76

3.8 三相逆变器的开关函数建模77

3.9 电动机驱动电源变换器中的制动脚78

3.10 AC-DC-AC电源变换器中的直流母线电容器79

3.11 总结81

问题82

参考文献82

第4章 基于载波的PWM和工作限制84

4.1 载波PWM算法：历史的重要性84

4.2 改进基准信号基于载波的PWM算法88

4.3 压／频驱动中使用的PWM：根据要求的电流谐波系数选择脉冲数92

4.3.1 工作于低频范围92

4.3.2 工作于高频范围94

4.4 采用载波PWM实现谐波抑制94

4.5 工作限制：最小脉冲宽度96

4.5.1 利用谐波注入避免脉冲下降101

4.6 工作限制106

4.6.1 死区时间106

4.6.2 零电流钳位110

4.6.3 过调制110

4.7 总结112

问题112

参考文献113

第5章 用于基本三相逆变器的矢量PWM115

5.1 空间矢量理论回顾115

5.1.1 概念的历史和演变115

5.1.2 理论：矢量变换和优势116

5.1.3 三相控制系统的应用119

5.2 三相逆变器的矢量分析120

5.2.1 在复平面6步工作电流空间矢量轨迹的数学推导120

5.2.2 磁通矢量和理想磁通轨迹的定义124

5.3 SVM理论：通过有源和零状态平均时间间隔的推导125

5.4 自适应SVM：直流纹波补偿127

5.5 连接到矢量控制：在（d，q）坐标系中不同形式和时间间隔方程表达式127

5.6 开关基准函数的定义130

5.7 开关序列的定义133

5.7.1 连续基准函数：不同的方法133

5.7.2 用于降低开关损耗的不连续基准函数136

5.8 不同矢量PWM之间的比较143

5.8.1 损耗特性143

5.8.2 THD/HCF的比较143

5.9 SVM的过调制144

5.10 PWM逆变器的V/Hz控制145

5.10.1 低频工作模式146

5.10.2 高频工作模式147

5.11 改善高速变换器的瞬态响应148

5.12 总结154

问题155

参考文献156

第6章 构建三相功率变换器的实践159

6.1 三相逆变器中功率器件的选择159

6.1.1 电动机驱动159

6.1.2 电网应用159

6.2 保护160

6.2.1 过电流保护160

6.2.2 熔断器保护163

6.2.3 过温度保护167

6.2.4 过电压保护167

6.2.5 缓冲电路168

6.2.6 栅极驱动器故障176

6.3 系统保护管理176

6.4 通过逆变器技术降低共模EMI177

6.5 取决于功率等级的传统逆变器典型构建结构180

6.5.1 功率半导体器件的封装181

6.5.2 变换器的封装183

6.5.3 外壳183

6.6 辅助电源185

6.6.1 技术要求185

6.6.2 用于电源的集成电路186

6.6.3 反激式开关电源变换器的工作188

6.7 总结190

问题190

参考文献191

第7章 热管理与可靠性193

7.1 热管理193

7.1.1 理论193

7.1.2 瞬态热阻抗195

7.2 可靠性和寿命定义理论198

7.3 故障和寿命200

7.3.1 系统故障率200

7.3.2 器件故障率200

7.3.3 用于电力电子系统不同元器件的失效率202

7.3.4 功率半导体器件的故障模式203

7.3.5 功率半导体器件的损耗机制203

7.4 寿命计算与建模204

7.4.1 问题的提出204

7.4.2 电子设备的加速测试205

7.4.3 物理故障建模210

7.5 标准和软件工具210

7.5.1 标准210

7.5.2 软件工具211

7.6 半导体厂商的可靠性测试213

7.7 可靠性设计213

7.8 总结214

参考文献215

第8章 PWM算法的实现218

8.1 模拟PWM控制器218

8.2 混合工作模式电动机控制器集成电路220

8.3 计数器的数字结构：FPGA实现221

8.3.1 数字PWM控制器工作原理221

8.3.2 总线兼容的数字PWM接口224

8.3.3 SVM控制器的FPGA实现225

8.3.4 死区时间数字控制器228

8.4 通用和专用数字处理器市场228

8.4.1 在功率变换器控制中使用微处理器／微控制器的历史228

8.4.2 用于功率变换器控制的DSP231

8.4.3 多处理器结构的并行处理233

8.5 低成本微控制器的软件实现234

8.5.1 计数器定时的软件控制234

8.5.2 时间间隔常数计算234

8.6 有功率变换器接口的微控制器239

8.7 电动机控制协处理器240

8.8 在TI公司的DSP中使用事件管理器240

8.8.1 事件管理器结构240

8.8.2 载波PWM的软件实现241

8.8.3 SVM的软件实现242

8.8.4 SVM的硬件实现243

8.8.5 死区时间245

8.8.6 每个PWM通道245

8.9 使用闪存246

8.10 PWM实现的分辨率和精度248

8.11 总结250

参考文献251

第9章 闭环控制的实际应用253

9.1 作用和原理图253

9.2 电流测量——与PWM同步253

9.2.1 并联电阻253

9.2.2 霍尔传感器255

9.2.3 电流互感器256

9.2.4 同步PWM256

9.3 电流采样率——过采样257

9.4 （a，b，c）坐标系中的电流控制258

9.5 电流变换（3→2）变换的软件计算260

9.6 （d，q）坐标系中的电流控制-模型-PI校准261

9.7 抗饱和保护——输出限制和范围定义263

9.8 总结263

参考文献264

第10章 IPM265

10.1 市场和技术考虑265

10.1.1 历史265

10.1.2 优点和缺点266

10.1.3 IGBT芯片267

10.1.4 栅极驱动器268

10.1.5 封装269

10.1.6 其他方法270

10.2 IPM可用性的审查270

10.3 IPM器件的使用273

10.3.1 本地电源273

10.3.2 再生能量钳位276

参考文献276

第2部分 其他拓扑结构278

第11章 谐振三相变换器278

11.1 通过谐振与先进PWM器件降低开关损耗278

11.2 是否还会从谐振大功率变换器中得到好处280

11.3 IGBT器件的零电压过渡283

11.3.1 工作于ZVS的功率半导体器件283

11.3.2 降压变换286

11.3.3 升压功率变换289

11.3.4 双向功率传输292

11.4 IGBT器件的零电流过渡293

11.4.1 工作于零电流开关的功率半导体器件293

11.4.2 降压变换295

11.4.3 升压变换297

11.5 准谐振变换器的可能拓扑结构300

11.5.1 极电压300

11.5.2 谐振直流总线300

11.6 三相谐振变换器专用PWM302

问题302

参考文献302

第12章 元器件小型化的三相功率变换器304

12.1 减少元器件数量的解决方案304

12.1.1 新逆变器拓扑结构304

12.1.2 直接变换器307

12.2 B4逆变器308

12.2.1 B4逆变器的矢量分析308

12.2.2 对B4逆变器PWM算法的定义313

12.2.3 直流电压变化的影响和相应的补偿方法314

12.3 用于两相感应电动机的馈电两引脚变换器317

12.4 Z源逆变器318

12.5 总结320

参考文献321

第13章 基于三相电压源变换器的AC-DC电网接口322

13.1 特性-控制目标-有功功率控制322

13.2 控制系统中PWM的意义326

13.2.1 单开关应用326

13.2.2 6开关变换器335

13.2.3 有电流注入器件的拓扑340

13.3 闭环电流控制法343

13.3.1 简介343

13.3.2 PI电流环343

13.3.3 瞬态响应时间344

13.3.4 电压（vd，vq）的限制345

13.3.5 最小时间电流控制345

13.3.6 交叉耦合项347

13.3.7 d轴全可用电压的使用349

13.3.8 开关表和滞后控制350

13.3.9 相电流跟踪方法352

13.4 电网同步360

问题362

参考文献362

第14章 并联和交错式功率变换器365

14.1 基于多个低功率器件并联解决方案和大功率器件构建的变换器的比较365

14.2 IGBT器件并联的硬件约束367

14.3 用于等电流均流的栅极控制电路设计370

14.4 使用并联器件的并联逆变器引脚的优缺点371

14.4.1 相间电抗器372

14.4.2 控制系统373

14.4.3 变换器控制解决方案373

14.4.4 电流控制375

14.4.5 并联变换器系统（d，q）控制的小信号模型375

14.4.6 （d，q）与（d，q，0）控制378

14.5 功率变换器的交错工作378

14.6 循环电流380

14.7 PWM算法选择382

14.8 系统控制器383

14.9 总结384

问题385

参考文献385

第15章 AC-DC和DC-AC电流源变换器387

15.1 简介387

15.2 电流换向388

15.3 使用开关函数来定义电路工作390

15.4 PWM控制394

15.4.1 梯形调制394

15.4.2 谐波消除编程调制395

15.4.3 正弦调制396

15.4.4 SVM397

15.5 PWM算法优化399

15.5.1 最小二次方误差400

15.5.2 圆形轮廓400

15.5.3 降低来自几何轨迹的低次谐波400

15.5.4 比较结果400

15.6 电流源逆变器-滤波器组合的交流侧谐振403

15.7 总结405

参考文献405

第16章 9开关拓扑的AC-AC矩阵变换器407

16.1 背景407

16.2 功率开关的实现410

16.3 电流换向411

16.4 无功功率钳位413

16.5 PWM算法413

16.5.1 基于PWM的正弦载波413

16.5.2 考虑所有可能开关矢量的SVM417

16.5.3 仅考虑固定矢量的SVM420

16.5.4 间接矩阵变换器427

16.5.5 PWM控制实现428

16.6 总结431

参考文献432

第17章 多电平变换器434

17.1 工作原理和硬件拓扑结构434

17.1.1 H桥模块434

17.1.2 飞跨电容多电平变换器435

17.1.3 二极管钳位多电平变换器437

17.1.4 组合变换器439

17.2 设计和评价注意事项440

17.2.1 半导体额定值440

17.2.2 无源滤波器440

17.3 PWM算法441

17.3.1 工作原理441

17.3.2 正弦PWM441

17.3.3 SVM445

17.3.4 谐波消除446

17.4 应用细节447

17.4.1 HVDC线路447

17.4.2 柔性交流输电系统448

17.4.3 电动机驱动448

参考文献448

第18章 在“开关网络”概念中使用IPM450

18.1 用于扩展功率范围的电网接口450

18.2 采用电压源逆变器功率模块的矩阵变换器456

18.2.1 采用电压源逆变器模块的常规矩阵变换器封装456

18.2.2 采用电压源逆变器模块的并矢矩阵变换器457

18.3 由多个功率模块构成的多电平变换器460

18.4 功率模块的新拓扑构建及其应用461

18.4.1 周波变换器461

18.4.2 控制系统465

18.4.3 PWM发生器467

18.5 广义矢量变换469

18.6 采用基于IGBT的AC-AC直接变换器IPM构建电流源逆变器模块473

18.6.1 硬件开发473

18.6.2 产品要求474

18.6.3 性能477

18.7 利用基于MATLAB的数百万FFT分析直接AC-AC变换器479

18.7.1 直接或矩阵变换器谐波分析介绍479

18.7.2 参数选择482

18.7.3 MATLAB中的FFT485

18.7.4 直接变换器分析486

18.7.5 多点THD和HCF分析自动化490

18.7.6 计算机性能评价493

参考文献493