具体描述
本书简述了电子变压器的工作原理、分类、结构、技术经济指标和尺寸比；重点介绍C型铁心、插片铁心、环型铁心和R型铁心电源变压器的主要技术参数、基本计算公式和设计方法；详细论述了音频变压器、脉冲变压器、稳压变压器、隔离变压器及其他特种变压器的工作原理、技术要求、计算方法。对于近年发展起来的新技术，比如有关高频领域使用的开关电源变压器、高频阻抗变换变压器、宽带高频变压器、高频电感器等，均作了实用性的详尽介绍。在表述的同时，书中还给出了大量工程计算用曲线和图表，既有理论分析，又有应用实例。对电子变压器各项参数测量、变压器制造工艺及质量控制、变压器安全性设计和安全认证、计算机辅助设计、变压器常见故障等也作了较为详细的、实用性的介绍。本书可作为电子变压器设计、制造、使用、维修等人员的工具书及参考书。
《现代电力电子技术基础与应用》 内容概要： 本书旨在为读者系统性地梳理和深入探讨现代电力电子技术的核心理论、关键器件、集成设计方法以及广泛的应用领域。全书共分为十二章，内容循序渐进，从基础概念出发，逐步深入到复杂的系统级设计与前沿技术。 第一章 绪论：电力电子技术概览 本章首先回顾电力电子技术的起源与发展历程，阐述其在能源转化、输配电、工业自动化、新能源等领域的核心地位和不可替代的作用。我们将探讨电力电子技术的基本功能，如整流、逆变、变频、DC-DC变换等，并介绍不同电力电子变换器的基本拓扑结构。此外，本章还将概述电力电子系统中的关键挑战，例如效率、功率密度、电磁兼容性、可靠性以及热管理问题，并展望未来技术发展趋势，如宽禁带半导体器件的应用、智能化控制以及面向特定应用的系统优化。 第二章 半导体电力器件：性能、选择与驱动 本章聚焦于构建电力电子系统的基石——半导体电力器件。我们将详细介绍各类主流电力电子器件的原理、特性、优缺点以及适用场景，包括： 二极管： 普通整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等，分析其正向压降、反向恢复时间、耐压及电流能力。 晶闸管（Thyristor）系列： 普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、门极可关断晶闸管（GTO）、可关断晶闸管（GTO）等，深入解析其触发机制、关断特性、重复峰值阻断电压（VDRM）和重复峰值正向电流（ITRM）等参数。 功率开关器件： 功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）： 重点介绍其导通电阻（RDS(on)）、栅极电荷（Qg）、开关速度以及不同沟道类型的特性（P沟道与N沟道）。 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）： 探讨其电压控制特性、集电极电压（VCE）、集电极电流（IC）、饱和压降（VCE(sat)）以及与MOSFET的权衡。 碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件： 介绍这些宽禁带半导体器件相对于硅基器件在高温、高频、高电压应用中的独特优势，包括更低的导通损耗、更快的开关速度和更高的功率密度。 功率集成电路（PIC）： 探讨集成了驱动电路、保护电路和功率开关器件的集成模块，分析其在简化设计、提高可靠性方面的作用。 本章还将深入探讨器件的选型原则，如何根据应用需求（如电压、电流、频率、温度、效率等）进行器件匹配。最后，详细讲解各类器件的栅极（或门极）驱动电路的设计，包括隔离驱动、非隔离驱动、死区时间控制以及过流、过压保护等关键问题。 第三章 基本电力电子变换器拓扑 本章将系统介绍最基本的电力电子变换器拓扑，它们是构建复杂电力电子系统的基础模块。我们将深入剖析每种拓扑的工作原理、电压/电流关系、纹波特性以及优缺点： AC-DC变换器（整流器）： 单相半波/全波整流器： 基础整流电路及其在负载下的工作分析。 单相桥式整流器： 包含有源和无源桥式整流器，及其功率因数、谐波特性。 三相整流器： 半控、全控桥式三相整流器，分析其输出电压纹波、谐波含量及其在工业应用中的重要性。 有源功率因数校正（APFC）技术： 介绍Boost型、Buck-Boost型APFC电路，讲解其改善电网侧功率因数、降低谐波的原理与实现。 DC-DC变换器： 升压（Boost）变换器： 工作原理、电压增益关系、关键参数设计。 降压（Buck）变换器： 工作原理、电压减益关系、关键参数设计。 升降压（Buck-Boost）变换器： 工作原理、电压输出范围、关键参数设计。 SEPIC变换器、Cuk变换器： 介绍这些具有隔离或非隔离直流输出特性的复杂变换器。 多相DC-DC变换器： 分析其并联工作、均流控制的优势。 DC-AC变换器（逆变器）： 单相桥式逆变器： 详细讲解其脉宽调制（PWM）控制原理，包括SPWM、IPWM等，以及输出电压、电流波形分析。 三相桥式逆变器： 介绍三相SPWM控制、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等高级控制策略，分析其在电机驱动、并网逆变器中的应用。 多电平逆变器： 如NPC（中点箝位）、CHB（级联H桥）等，介绍其在高电压、大功率应用中的优势。 AC-AC变换器（变频器）： AC-AC直接变换器： 如矩阵变换器，介绍其直接实现AC-AC变换的原理。 AC-AC间接变换器： 基于AC-DC-AC结构，即整流器后接逆变器，是目前主流的变频器实现方式。 第四章 控制理论与PWM技术 本章深入探讨电力电子变换器的控制策略，重点在于脉宽调制（PWM）技术的应用。我们将详细介绍： 开关模式控制： 基于开关函数的概念，分析不同控制模式对输出电压、电流波形的影响。 基于电压模式的PWM： 详细讲解三角波与三角波比较法的SPWM原理，包括如何生成各种调制波形（正弦、等幅、梯形等），以及如何调整调制深度以控制输出电压幅值。 基于电流模式的控制： 峰值电流控制（Peak Current Mode Control）： 介绍其快速响应和易于并联的优点，以及其稳定性问题。 平均电流控制（Average Current Mode Control）： 分析其在实现高精度电流控制和改善输出纹波方面的作用。 空间矢量脉宽调制（SVPWM）： 重点介绍其在三相逆变器中的应用，分析如何通过选择不同的电压矢量来控制输出电压空间矢量的大小和方向，实现高效率和低谐波。 数字控制与DSP/FPGA实现： 探讨如何利用微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）实现复杂的PWM生成、环路控制和保护功能，以及实时采集和处理传感器信号。 第五章 隔离技术与变压器设计基础 本章专注于电力电子系统中至关重要的隔离技术，以及与隔离相关的变压器设计基础。 隔离的必要性与方式： 阐述在人身安全、电磁兼容（EMC）和系统接地等方面隔离的重要性，介绍常见的隔离方式，如磁隔离、光隔离和电隔离。 隔离变压器： 变压器基本原理： 回顾电磁感应定律、法拉第定律，以及变压器的漏感、激磁电感、寄生电容等参数的含义。 变压器绕组设计： 讨论不同绕组结构（层绕、分层绕、交叉绕等）对漏感、分布电容、趋肤效应和邻近效应的影响。 磁芯材料选择： 介绍铁氧体、非晶合金、坡莫合金等常见磁芯材料的性能特点，如饱和磁通密度（Bs）、居里温度、损耗特性等，以及不同频率下的适用性。 变压器损耗分析： 详细讲解磁芯损耗（磁滞损耗和涡流损耗）和铜损（直流损耗和交流损耗），并介绍降低损耗的设计方法。 隔离变压器的设计考量： 强调绝缘要求、耐压等级、漏感控制、阻抗匹配以及热设计等在隔离变压器设计中的关键性。 DC-DC变换器的隔离拓扑： 反激（Flyback）变换器： 作为一种简单的隔离DC-DC变换器，介绍其工作原理、磁性元件设计。 正激（Forward）变换器： 分析其能量传输方式和磁性元件设计。 推挽（Push-Pull）变换器： 介绍其双管结构和变压器设计。 半桥（Half-Bridge）和全桥（Full-Bridge）变换器： 探讨其更高效的能量传输能力和复杂的变压器与驱动要求。 LLC谐振变换器： 介绍其在高效率、高功率密度方面的优势，以及其谐振网络和磁性元件设计。 高频开关电源的磁性元件设计： 探讨高频工作对磁芯材料、绕组设计和散热提出的更高要求。 第六章 电力电子系统的功率密度提升与热管理 本章关注如何提高电力电子系统的功率密度，即在相同体积或重量下实现更高的功率输出，以及有效的热管理策略。 功率密度提升的关键因素： 器件性能提升： 宽禁带半导体器件（SiC, GaN）的应用。 高频化设计： 提高开关频率以减小无源元件（电感、电容）的体积。 集成化设计： 将多个功能模块集成到一个芯片或模块中。 优化拓扑结构： 选择更高功率密度的变换器拓扑。 高频化带来的挑战与应对： 提高开关损耗、电磁干扰（EMI）、磁性元件损耗等问题，以及相应的解决方案。 热管理基础： 热传导、对流与辐射： 详细讲解热量传递的基本机制。 器件结温与环境温度： 阐述热阻的概念，并说明器件结温对性能和可靠性的影响。 散热器设计： 介绍自然对流、强制风冷、液冷等散热方式，以及散热器选型与设计原则。 PCB热设计： 讨论如何在PCB板上布局、走线以利于散热。 封装与模块热设计： 分析不同封装形式（如TO-247, SOT-223, Power Module）的热阻特性。 热设计流程与仿真： 介绍如何通过热设计工具进行仿真分析，预测器件温度。 第七章 电磁兼容性（EMC）设计 本章系统阐述电力电子系统中的电磁兼容性问题，及其设计与抑制方法。 EMC基础概念： 干扰源、传播路径、敏感设备。 EMI的产生机理： 主要讲解开关电源中的EMI产生原因，如开关噪声、传导发射、辐射发射。 EMC标准与法规： 简要介绍相关的国际和国内EMC标准（如CISPR、FCC、GB）。 传导发射（Conducted Emission）的抑制： 输入/输出滤波器的设计： 详细介绍LC滤波器、π型滤波器、EMI抑制器等。 PCB布局布线： 强调地线、电源线、信号线的合理规划。 屏蔽技术： 介绍机箱屏蔽、连接器屏蔽等。 辐射发射（Radiated Emission）的抑制： 减小电流环路面积： 优化PCB布局，减少高频电流环路。 屏蔽设计： 优化外壳、连接器的屏蔽性能。 滤波器的选择与布局： 确保滤波器有效抑制高频信号。 抗扰度（Immunity）设计： 静电放电（ESD）防护： 介绍ESD防护器件和设计。 电快速瞬变脉冲（EFT）和浪涌（Surge）防护： 介绍相应的防护电路。 电磁场（RF）抗扰度： 探讨屏蔽和滤波对RF干扰的防护作用。 第八章 电源保护与可靠性设计 本章关注电力电子系统的保护机制和提高其可靠性的设计方法。 过流保护（OCP）： 过流检测方法： 电阻采样、电流互感器、霍尔电流传感器等。 保护响应策略： 逐周期关断、折返（Hiccup）模式、持续关断（Latch-off）等。 过压保护（OVP）： 过压检测方法： 采样输出电压，利用稳压管、TL431等。 保护响应策略： 关断输出、限流等。 欠压保护（UVP）： 欠压检测方法： 采样输入或输出电压。 保护响应策略： 防止低电压下器件损坏或误触发。 过温保护（OTP）： 温度检测方法： 热敏电阻、集成温度传感器。 保护响应策略： 降额运行或关断。 短路保护（SCP）： 检测与响应： 与过流保护紧密相关。 开环保护： 检测与响应： 当控制环路失效时进行保护。 可靠性设计原则： 降额设计： 允许器件在低于其额定值的条件下工作。 元器件选择： 选择高可靠性的电子元器件。 冗余设计： 关键路径采用冗余。 环境适应性设计： 考虑工作温度、湿度、振动等环境因素。 失效模式分析（FMEA）： 识别潜在的失效模式并采取预防措施。 第九章 DC-DC变换器的高级应用与设计 本章将深入探讨DC-DC变换器在高压、大电流、宽输入输出范围等复杂应用中的设计和优化。 多相DC-DC变换器： 并联与均流控制： 详细介绍实现并联的几种均流控制策略，以及其优势。 功率倍增与效率提升： 分析多相工作如何实现功率扩展和提高效率。 开关电容（Switched Capacitor）DC-DC变换器： 基本原理与拓扑： 介绍其无需磁性元件的特点。 应用场景： 适用于低功耗、低电压应用。 DC-DC变换器效率优化技术： 同步整流（Synchronous Rectification）： 替换肖特基二极管，降低导通损耗。 软开关技术（Soft Switching）： 如零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），显著降低开关损耗。 谐振变换器： 如LLC变换器，通过谐振实现软开关。 宽输入/输出范围DC-DC变换器： 特殊拓扑与控制： 如反激变换器在宽范围工作下的挑战与优化。 多模式控制： 结合不同工作模式以适应宽范围输入/输出。 第十章 AC-DC变换器的高级应用与设计 本章重点介绍AC-DC变换器在改善电能质量、提高效率和适应复杂电网方面的先进技术。 有源功率因数校正（APFC）的深入分析： 不同APFC拓扑： Boost, Buck-Boost, SEPIC等。 控制策略： 电压外环、电流内环；滞环控制等。 多相APFC： 提高功率处理能力。 多电平整流器： NPC, CHB整流器： 介绍其在高压大功率场合的应用，以及如何降低谐波。 控制策略： 针对多电平整流器的PWM控制。 交错式并联（Interleaved）整流器： 提高功率密度和减小纹波： 分析其工作原理和优势。 回馈整流器（Regenerative Rectifiers）： 能量回馈电网： 介绍其在电动汽车充电、风力发电等领域的应用。 相控整流器与有源整流器： 对比其在回馈能力上的差异。 第十一章 DC-AC变换器（逆变器）的高级应用与设计 本章将聚焦于DC-AC变换器在新能源发电、电机驱动、不间断电源（UPS）等关键领域的应用与设计。 面向电网并网的逆变器设计： 并网控制策略： 电压定向控制、锁相环（PLL）技术。 无功功率补偿与电网支撑： 逆变器在电网中的高级功能。 单相与三相并网： 不同规模的应用。 电机驱动中的逆变器应用： 矢量控制（Vector Control）与直接转矩控制（DTC）： 讲解其在交流电机精确控制中的作用。 开关损耗优化与噪音控制： 针对电机驱动的特殊需求。 多电平逆变器： NPC, CHB, Flying Capacitor等拓扑： 介绍其在高电压、大功率应用中的优势。 载波移相PWM（CSPWM）和调相PWM（APWM）： 针对多电平逆变器的控制。 不间断电源（UPS）系统： 在线式、后备式UPS： 工作原理与控制。 高效率、高功率密度UPS设计： 结合先进变换器技术。 第十二章 典型电力电子应用实例分析 本章通过分析几个典型的电力电子应用实例，将前述的理论知识融会贯通，加深读者对实际应用的理解。 案例一：高效LED驱动电源设计： 拓扑选择与元件设计： 如反激、降压型恒流源。 EMI设计与可靠性考量。 案例二：电动汽车充电桩（AC-DC充电模块）： APFC与DC-DC变换器集成。 高效率、高功率密度设计。 电网接口与安全要求。 案例三：工业伺服驱动器（DC-AC逆变器与DC-DC驱动电源）： 矢量控制与PWM策略。 散热与EMC设计。 案例四：太阳能光伏并网逆变器： MPPT（最大功率点跟踪）技术。 并网控制与电网兼容性。 案例五：服务器开关电源（SMPS）： 高效率（如80 PLUS标准）设计。 高功率密度与散热。 多路输出与电源管理。 通过对这些典型案例的深入剖析，本书旨在帮助读者将理论知识应用于实际工程问题，掌握电力电子系统设计的基本流程和关键技术。
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