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出版者:

作者:Canizares, Claudio (EDT)/ Conejo, Antonio J. (EDT)/ Gomez-exposito, Antonio (EDT)

出品人:

页数:684

译者:

出版时间:2008-7

价格:$ 158.14

装帧:

isbn号码:9780849373657

丛书系列:

图书标签:

• 电力系统
• 电力工程
• 电气工程
• 能源
• 电力电子
• 电网
• 电力设备
• 可再生能源
• 电力市场
• 智能电网

现代工业的神经中枢：电力电子与电能变换技术 书籍简介 本书深入剖析了现代电力系统的核心——电力电子技术与电能变换的原理、架构与应用。在全球能源结构转型和电气化浪潮的背景下，如何高效、可靠、灵活地控制和转换电能，已成为衡量一个国家工业竞争力的关键指标。本书旨在为工程师、研究人员以及相关专业学生提供一套全面而深入的理论框架和实践指导，使其能够驾驭下一代电力系统的复杂性。 第一部分：电力电子学基础与器件原理 本部分奠定了电力电子学的坚实基础，重点关注现代电力变换中不可或缺的半导体器件。 第一章：电力电子学的概念框架与发展历程 首先，阐述了电力电子技术在能源、交通、通信和消费电子等领域中的战略地位。讨论了电力电子系统从早期基于晶闸管的系统向现代基于IGBT和SiC器件的高频、高密度系统的演变。着重分析了能源效率、功率密度和系统可靠性这三大核心驱动力如何塑造了当代电力电子系统的设计哲学。详细对比了传统交流机（如大型旋转电机）与现代电力变换器在效率、体积和控制精度上的优势差异。 第二章：关键功率半导体器件的深入研究 本章详细考察了构成所有电力变换器的核心元件。 二极管与晶闸管 (SCR)： 探讨了这些基础器件的开关特性、导通损耗和反向恢复过程。重点分析了高压、大电流应用中串联和并联技术对器件均匀性和热管理的挑战。 功率 MOSFET 与 IGBT： 对这两种最常用的开关器件进行了细致的性能对比。分析了导通电阻（$R_{DS(on)}$）与开关频率之间的权衡关系，以及它们在不同工作模式（如PWM、谐振开关）下的损耗模型。特别关注了先进的超结（SuperJunction）MOSFET在低压高频应用中的突破。 第三代半导体材料： 深入探讨了碳化硅（SiC）MOSFET和氮化镓（GaN）器件的物理特性。解析了其在耐压能力、极低开关损耗和高温工作特性上的优势，以及在电动汽车（EV）和数据中心电源中的颠覆性影响。分析了这些宽禁带器件在栅极驱动、热界面材料选择上面临的新挑战。 第三部分：基础电能变换电路拓扑 本部分系统地介绍了实现不同能量形态之间转换的基本电路拓扑，这是所有复杂电能系统的构建模块。 第三章：交流到直流（AC/DC）变换器 研究了从电网获取电能并将其转换为稳定直流电压的电路。 非控与半控整流器： 简要回顾了传统二极管和晶闸管整流器的原理及其在固定功率因数应用中的局限性。 有源前端（PFC）变换器： 重点分析了升降压（Boost）、降压（Buck）和降压-升压（Buck-Boost）拓扑在实现单位功率因数和低谐波畸变方面的应用。深入探讨了临界导通模式（CCM）和不连续导通模式（DCM）下的设计考量，以及多相交错（Interleaving）技术对输入电流纹波的抑制效果。 高功率密度隔离变换器： 详细分析了LLC谐振变换器、正激（Forward）和半桥/全桥拓扑在隔离应用中的应用。着重讨论了如何利用谐振网络实现零电压开关（ZVS）以最大化效率。 第四章：直流到直流（DC/DC）变换器 本章聚焦于直流母线电压的调节和隔离。 非隔离型拓扑： 深入研究了Buck、Boost、Buck-Boost及其衍生拓扑（如SEPIC、Cuk）在电压跟随、升压和反相应用中的动态响应和传递函数。 隔离型拓扑： 详细解析了隔离式DC/DC变换器的设计关键，包括变压器的设计（磁芯材料选择、绕组耦合、漏感处理）、匝数比对输出电压的确定。比较了先进的移相全桥（PSFB）和全桥串联谐振变换器在兆瓦级应用中的性能特点。 第五章：直流到交流（DC/AC）与交流到交流（AC/AC）变换 本部分处理逆变器和变频技术，是连接储能、新能源发电与交流负载的核心。 电压源逆变器（VSI）： 详细分析了单相和三相VSI的结构。重点讲解了脉宽调制（PWM）技术，包括正弦PWM（SPWM）和空间矢量调制（SVM），及其对输出电压谐波、基波幅值和开关频率的综合影响。 电流源逆变器（CSI）： 针对电机驱动和高压输电应用，阐述了CSI的结构特性、固有串联电感对系统的保护作用以及在并网方面的优势。 矩阵变换器（Matrix Converter）： 作为一种无需直流环节的AC/AC变换器，本书详细分析了其拓扑结构、等效电路模型，以及其在实现四象限运行和无需电解电容方面的潜力与挑战（特别是开关器件的电压应力管理）。 第三部分：高级控制策略与系统集成 现代电力电子系统的性能瓶颈往往在于控制算法的先进性。本部分侧重于高精度、快速响应的控制方法。 第六章：开关模式电源（SMPS）的经典控制理论 回顾并深化了反馈控制理论在线性与非线性系统中的应用。 小信号建模： 教授如何对各种变换器（如Buck、LLC）建立准确的小信号状态空间模型，以进行频率响应分析。 经典控制方法： 深入探讨了基于传递函数的PID控制器的设计与参数整定，以及如何通过零/极点配置实现期望的穿越特性和抗扰性。分析了电流环、电压环的级联控制结构。 第七章：现代数字控制技术与系统动态 聚焦于微处理器和DSP在高速开关控制中的应用。 数字控制的挑战： 讨论了采样延迟、量化误差和计算资源限制对控制带宽和系统稳定性的影响。 先进的反馈技术： 详细介绍并对比了平均电流模式控制（Average Current Mode Control）、峰值电流模式控制（Peak Current Mode Control），以及滞环控制（Hysteresis Control）在实现快速动态响应和输入电流整形中的应用。 无源与有源谐振控制： 针对高频谐振变换器，阐述了如何通过频率调制或相移控制来实现在整个负载范围内的软开关操作。 第八章：并网逆变器与电网交互 本章关注电力电子系统与电网的复杂接口。 同步与锁相技术： 详述了锁相环（PLL）在实时跟踪电网电压相位、频率和幅值中的关键作用，特别是针对含有大量谐波和电压跌落的非理想电网。 电网支撑与故障穿越（LVRT/HVRT）： 分析了并网逆变器在电网发生暂态扰动时，如何通过控制电流内环和外环，维持系统稳定，并满足电网准入标准。讨论了下垂控制（Droop Control）在微电网和分布式发电系统中的应用，实现功率的自主分配。 无源滤波器与有源功率滤波器： 探讨了电力电子系统产生的高频开关噪声对电网质量的影响，以及如何设计LC滤波器和使用有源功率滤波器（APF）来补偿电流谐波和无功功率。 第四部分：系统集成与未来方向 第九章：热管理、可靠性与封装技术 任何电力电子系统的性能终究受限于热和可靠性。 功率密度与热设计： 详细分析了半导体芯片、封装材料与散热系统（如热管、液冷）之间的热阻模型。讨论了功率循环（Power Cycling）如何加速器件疲劳，以及如何通过优化布局来改善热传导路径。 系统级可靠性分析： 探讨了MTBF（平均故障间隔时间）的预测方法，以及冗余设计（如N+1配置）在关键任务系统中的应用。 第十章：电动汽车动力总成与新型储能接口 本书的终章展望了电力电子技术在未来能源领域的最前沿应用。 车载电源系统： 深入分析了电动汽车中的高压DC/DC变换器在电池包与车载电器之间的作用，以及电驱动逆变器（三电系统）如何应对电机的高动态扭矩需求。特别关注了SiC器件在800V平台中的优势。 电网级储能系统（BESS）： 详细剖析了连接电池储能系统与交流电网的双向AC/DC变换器架构（如双级或单级），及其在提供调频、调峰服务中的控制策略。 本书以其严谨的物理建模、详尽的拓扑分析和对前沿器件的深入讨论，为读者构建了一个完整的、面向工程实践的电力电子知识体系。通过对理论与实际案例的结合，确保读者不仅理解“如何工作”，更能掌握“为何如此设计”。

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