具體描述
功率開關管IGBT與集成控製器相配閤，在電力電子裝置中得到瞭廣泛的應用，特彆是IGBT智能化模塊（IPM）的齣現，更加擴展瞭其應用範圍。《IGBT及其集成控製器在電力電子裝置中的應用》的特點是具有很強的實用性。在簡單介紹IGBT和IPM的工作原理和主要技術參數後，重點介紹0GBT和IPM在電力電子裝置中的應用。
《IGBT及其集成控製器在電力電子裝置中的應用》可供從事開關電源、逆變電源、焊機電源、電機調速、變頻電源、電力傳動、電力有源濾波器和UPS等技術工作的人員參考，對於電力電子技術專業的師生也有參考價值。
IGBT 與先進控製策略在現代電力電子係統中的協同優化 本書深入探討瞭絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為關鍵電力電子器件，如何在不同應用場景下與先進的集成控製器協同工作，從而實現電力電子裝置的高效、可靠與智能運行。內容聚焦於 IGBT 的器件特性、驅動技術、保護機製，以及集成控製器的設計理念、算法實現和係統集成，旨在為讀者提供一個全麵而深入的理解框架。 第一部分：IGBT 器件原理與特性分析 本部分將從 IGBT 的基本結構和工作原理入手，詳細闡述其電壓、電流特性，開關損耗，以及熱阻等關鍵參數。我們將分析不同類型 IGBT（如溝槽柵、平麵柵，單晶體管、集成二極管等）的優劣勢，以及它們在不同功率等級和工作頻率下的適用性。此外，還將介紹 IGBT 的可靠性問題，包括過壓、過流、過溫等失效模式，並討論相應的防護措施。 IGBT 的結構與物理模型： 詳細解析 IGBT 的 PNPN 四層結構，以及其工作時載流子的注入、傳輸和復閤過程。 電特性與參數解讀： 深入理解 IGBT 的耐壓、額定電流、導通壓降、開關時間（上升時間、下降時間、關斷延遲時間）、結電容等參數對器件性能的影響。 損耗分析與優化： 分類討論 IGBT 的導通損耗、開關損耗（開通損耗、關斷損耗），並介紹降低損耗的技術，如軟開關技術、結溫控製等。 可靠性與失效機理： 剖析 IGBT 在長期工作或極端工況下的失效原因，包括雪崩擊穿、熱擊穿、柵氧化層擊穿等，並提供預防策略。 新型 IGBT 器件與封裝技術： 介紹 SiC-IGBT、Trench/Planar Gate 技術、FCB (Flip Chip Bonding) 等前沿技術在提升 IGBT 性能方麵的應用。 第二部分：IGBT 驅動與保護電路設計 高性能的 IGBT 需要精確的驅動信號和可靠的保護機製。本部分將詳細介紹各種 IGBT 驅動電路的設計方法，包括隔離驅動、門極驅動電路的組成、參數選擇，以及高頻驅動的挑戰與解決方案。同時，也將深入探討 IGBT 保護電路的設計，涵蓋過流保護、過壓保護、過溫保護、短路保護等，並介紹各種保護策略的實現方式，如感應器選擇、保護邏輯設計等。 門極驅動電路設計： 隔離驅動技術： 光耦隔離、PWM 變壓器隔離、DC-DC 隔離等驅動方式的原理與應用。 基本驅動電路拓撲： 獨立供電驅動、自舉驅動、下管驅動與上管驅動的細節設計。 驅動參數的優化： 門極電阻、驅動電壓、驅動電流對開關性能和損耗的影響。 高頻驅動的挑戰： 寄生參數的影響、驅動波形畸變、EMI 問題及對策。 IGBT 保護電路設計： 過流保護： 瞬時過流保護 (OCP)、慢速過流保護 (SCP) 的實現，電流檢測方法（電流互感器、霍爾傳感器、分流電阻）。 過壓保護： 瞬態過壓吸收（TVS 管、RC 吸收迴路）、續流二極管的選擇與保護。 過溫保護： 熱敏電阻、溫度傳感器在 IGBT 結溫監測中的應用，過溫關斷策略。 短路保護： 短路電流的特性分析，快速關斷和鎖存保護機製。 驅動信號異常檢測： 欠壓鎖定 (UVLO)、驅動信號丟失檢測。 第三部分：集成控製器在電力電子裝置中的核心作用 本部分將聚焦於集成控製器的設計理念及其在現代電力電子裝置中的核心作用。我們將探討如何根據具體的電力電子拓撲（如逆變器、變流器、DC-DC 變換器等）和應用需求，設計高效、靈活、智能的控製器。內容將涵蓋數字控製器的架構、處理器選型（DSP, MCU, FPGA）、信號采集與處理、 PWM 信號生成，以及常用的控製算法（PID 控製、滯環控製、模型預測控製等）。 控製器架構與核心組件： 微處理器 (MCU/DSP) 的選擇與應用： 針對不同算力需求的處理器選型，以及其在實時控製中的優勢。 現場可編程門陣列 (FPGA) 的應用： 在高速並行處理、復雜邏輯控製和自定義功能實現方麵的應用。 數字信號處理器 (DSP) 的特點： 在處理復雜的數學運算和算法方麵的優勢。 信號采集與處理： 模擬信號的數字化： ADC 的選型、采樣率、分辨率與抗乾擾設計。 傳感器技術： 電壓、電流、溫度、頻率等傳感器的原理與在電力電子係統中的應用。 濾波與抗乾擾技術： 數字濾波算法，以及電源和信號綫的濾波設計。 PWM 信號生成與調製策略： 基本 PWM 模式： 雙極性 PWM、單極性 PWM 的生成原理。 高級調製策略： 空間矢量脈寬調製 (SVPWM)、三角波斜波調製 (SPWM) 在不同拓撲中的應用。 死區時間控製： 避免上下管直通的關鍵技術。 常用控製算法與實現： PID 控製器： 理論基礎、參數整定方法及其在穩態和動態性能控製中的應用。 滯環控製： 簡單易實現的控製方法及其在電流和電壓控製中的應用。 模型預測控製 (MPC)： 基於係統模型的預測性控製策略，在動態響應和多目標優化中的優勢。 模糊邏輯與神經網絡控製： 在處理非綫性係統和復雜工況下的應用潛力。 第四部分：集成控製器與 IGBT 的協同優化策略 本部分是本書的核心亮點，將深入探討如何通過精巧的控製器設計，最大限度地發揮 IGBT 的性能，並優化整個電力電子裝置的運行。我們將分析各種應用場景下（如太陽能逆變器、電動汽車充電樁、風力發電變流器、工業電機驅動等），控製器如何與 IGBT 實現協同優化。內容包括： 最優開關時序控製： 如何通過精確的 PWM 信號生成，實現 IGBT 的軟開關（零電壓開關 ZVS，零電流開關 ZCS），從而顯著降低開關損耗，提高效率，並減小 EMI。 動態性能的提升： 控製器如何根據負載變化和電網擾動，快速調整 IGBT 的開關策略，保證輸齣電壓或電流的穩定性和動態響應速度。 可靠性與壽命的延長： 控製器如何通過實時監測 IGBT 的工作狀態（如結溫、電流紋波），並采取相應的保護和限流措施，防止 IGBT 因過載或誤操作而損壞，從而延長器件和係統的使用壽命。 功率密度與小型化： 通過高效率和精確控製，允許使用更高開關頻率，從而減小無源器件（電感、電容）的體積，實現電力電子裝置的小型化和輕量化。 智能控製與自適應能力： 介紹如何利用先進的控製算法（如機器學習、自學習算法），使控製器能夠根據環境變化和器件老化情況，自動調整控製策略，實現性能的自適應優化。 故障診斷與預測： 控製器如何集成故障診斷和預測功能，在係統發生潛在故障前發齣預警，或在故障發生時快速隔離故障，保證係統的安全運行。 第五部分：典型應用實例分析 為瞭更好地理解 IGBT 與集成控製器的協同作用，本部分將選取幾個典型的電力電子應用場景，進行深入分析。 太陽能光伏並網逆變器： 分析 MPPT 算法、電網同步控製、諧波抑製等與 IGBT 驅動和保護的配閤。 電動汽車車載充電機 (OBC)： 探討功率因數校正 (PFC)、高頻 DC-DC 變換、電池管理接口等控製需求，以及對 IGBT 的要求。 工業電機驅動： 重點分析 V/f 控製、矢量控製、直接轉矩控製 (DTC) 等算法在電機調速中的應用，以及 IGBT 在不同負載工況下的錶現。 開關電源 (SMPS)： 介紹不同拓撲（如反激、正激、LLC 諧振）下的控製策略，以及如何優化 IGBT 的開關性能以提高效率。 本書將通過豐富的圖錶、詳細的公式推導和深入的原理闡述，幫助讀者建立起對 IGBT 和集成控製器之間相互依存、協同增效的深刻認識。無論是從事電力電子器件研發、係統設計、還是産品應用領域的工程師、研究人員，都能從中獲得寶貴的知識和啓發。
著者簡介
圖書目錄
第1章 IGBT特性及輔助電路 1.1 IGBT的結構和技術參數 1.1.1 IGBT的結構和基本特性 1.1.2 IGBT的主要參數 1.1.3 IGBT模塊 1.1.4 功率集成模塊（PIM）和智能化模塊（IPM） 1.2 IGBT驅動電路 1.2.1 IGBT柵極驅動的要求 1.2.2 IGBT柵極驅動電路 1.3 IGBT的緩衝電路 1.3.1 關斷緩衝電路和導通緩衝電路 1.3.2 無源無損緩衝電路 1.3.3 有源無損緩衝電路第2章 IGBT在開關電路中的應用 2.1 基本開關電路 2.1.1 串聯開關電路 2.1.2 並聯開關電路 2.1.3 串並聯開關電路 2.1.4 並串聯開關電路 2.2 開關電路的PWM反饋控製 2.2.1 電壓模式控製PWM 2.2.2 電流模式控製PWM 2.2.3 滯環電流模式控製PWM 2.2.4 相加模式控製PWM 2.3 軟開關變換器 2.3.1 ZVS和ZCS變換器 2.3.2 ZVS-PWM和ZCS-PWM變換器 2.3.3 ZVT-PWM和ZCT-PWM變換器 2.3.4 PS軟開關變換器 2.3.5 有源鉗位ZVS-PWM變換器 2.3.6 移相調寬DC/DC變換器 2.4 變換器的多路輸齣技術 2.5 開關電源主電路、高頻變壓器和輸齣濾波器的設計 2.5.1 主電路的設計 2.5.2 高頻變壓器的設計 2.5.3 輸齣濾波器的設計 2.6 PWM控製器集成電路 2.6.1 部分PWM和SPWM控製器集成電路的主要性能和參數 2.6.2 電壓型PWM控製器集成電路 2.6.3 電流型PWM集成控製器 2.6.4 電壓/電流型 PWM控製器集成電路 2.6.5 移相型 PWM控製器集成電路 2.7 IGBT開關電源的實例 2.7.1 TL494控製的推挽式IGBT開關電源[7] 2.7.2 SG3524控製的IGBT開關電源[2][4][7] 2.7.3 SG3525A控製的IGBT開關電源[4][20][25][26] 2.7.4 UC3842控製的反激式IGBT開關電源[2][5] 2.7.5 UC3828控製的正激式IGBT開關電源[2] 2.7.6 UCC3802控製的反激式IGBT開關電源[2] 2.7.7 UC3875控製的全橋移相式IGBT開關電源[20]第3章 IGBT及其集成控製器在逆變電路中的應用 3.1 逆變器電路的基本形式 3.1.1 雙嚮型電壓源高頻鏈逆變器 3.1.2 電流源高頻鏈逆變器 3.1.3 三相逆變器 3.1.4 多電平逆變器 3.2 並聯逆變技術 3.2.1 逆變器的並聯運行 3.2.2 逆變器並聯運行的均流技術 3.2.3 逆變器並聯運行的同步技術 3.2.4 逆變電源的並聯運行 3.3 IGBT逆變電路的應用實例 3.3.1 IGBT高頻加熱逆變電源 3.3.2 IGBT移相式逆變電源 3.3.3 IGBT超聲波逆變電源 3.3.4 IGBT交流調壓電源 3.3.5 車載IGBT逆變電源 3.3.6 脈衝換相電鍍用整流器第4章 IGBT及其集成控製器在弧焊逆變電源中的應用 4.1 焊接電弧的電特性 4.2 IGBT弧焊逆變電源的結構 4.3 IGBT弧焊逆變電源主電路的工作原理 4.4 IGBT弧焊逆變電源的數字化控製技術 4.5 IGBT弧焊逆變電源驅動電路 4.6 IGBT弧焊逆變電源的保護電路和緩衝電路 4.7 IGBT弧焊逆變電源的應用實例 4.7.1 ZX7係列IGBT弧焊逆變電源[18] 4.7.2 MZ-1250 IGBT弧焊逆變電源[23] 4.7.3 脈衝MIG弧焊逆變電源[23][35] 4.7.4 NBM-630逆變式多功能弧焊電源[23]第5章 IGBT及其集成控製器在交直流調速中的應用 5.1 電力拖動控製技術與交直流調速係統 5.2 應用實例 5.2.1 IGBT及其控製器在直流電動機調速係統中的應用[31][52] 5.2.2 IGBT及其集成控製器在交流電動機調速係統中的應用第6章 IGBT及其集成控製器在變頻電源中的應用 6.1 基於串聯諧振式IGBT逆變的變頻電源[20] 6.2 基於並聯諧振式IGBT逆變的變頻電源 6.3 基於SA08的400Hz/115V的變頻電源[9][18] 6.4 高頻加熱電源第7章 IGBT及其集成控製器在有源電力濾波器中的應用 7.1 有源電力濾波器的工作原理 7.1.1 有源電力濾波器的主電路 7.1.2 有源電力濾波器的控製方式 7.2 有源電力濾波器的分類 7.2.1 並聯型有源電力濾波器 7.2.2 串聯型有源電力濾波器 7.2.3 串並聯型有源電力濾波器 7.2.4 混閤型有源電力濾波器 7.3 有源電力濾波器的應用實例 7.3.1 並聯型有源電力濾波器的應用實例 7.3.2 串聯型有源電力濾波器的應用實例 7.3.3 串並聯型有源電力濾波器的應用實例 7.3.4 混閤型有源電力濾波器的應用實例第8章 IGBT及其集成控製器在UPS中的應用 8.1 UPS的分類和工作原理 8.1.1 後備式UPS 8.1.2 在綫式UPS 8.1.3 UPS的發展趨勢 8.2 應用實例 8.2.1 基於TMS320F2812的後備式UPS 8.2.2 基於單片機的後備式UPS 8.2.3 基於TMS320LF2407A的在綫式UPS 8.2.4 基於DPS的UPS逆變器第9章 IGBT及其集成控製器在電子鎮流器中的應用 9.1 對電子鎮流器的要求 9.1.1 綠色照明與電子鎮流器 9.1.2 電子鎮流器的功能與基本結構 9.2 電子鎮流器中的逆變電路 9.2.1 電子鎮流器中常用的逆變器電路拓撲 9.2.2 電子鎮流器中專用IGBT[50] 9.3 應用實例 9.3.1 基於IR2155的電子鎮流器[9][18][26][51] 9.3.2 基於IR2156的電子鎮流器 9.3.3 基於IR2130的HID電子鎮流器[9] 9.3.4 基於IR2159的可調光電子鎮流器[50][51] 9.3.5 照明用電子變壓器電路第10章 IGBT及其集成控製器在蓄電池充放電電路中的應用 10.1 蓄電池的類型 10.2 蓄電池的充電方式 10.3 IGBT高頻開關充電電源的工作原理 10.4 電池充電集成電路 10.4.1 UC3906電池充電集成電路 10.4.2 UC3909電池充電集成電路 10.4.3 LM3621鋰離子電池充電集成電路[32] 10.4.4 BQ2000通用型電池充電集成電路[32] 10.4.5 BQ2004H/E快速充電集成電路[32] 10.5 應用實例 10.5.1 高頻開關直流充電電源 10.5.2 基於MAX2003/2003A的充電器電路[26][32] 10.5.3 基於UC3906的蓄電池充放電電路[33] 10.5.4 基於UC3909的蓄電池充放電電路第11章 IGBT及其集成控製器在再生能源技術中的應用 11.1 IGBT及其集成控製器在太陽能發電技術中的應用 11.1.1 傢用太陽能發電係統的要求 11.1.2 太陽能發電係統的結構 11.1.3 太陽能發電係統的控製方案 11.1.4 光伏並網 11.2 IGBT及其集成控製器在風力發電技術中的應用 11.2.1 離網型風力發電機組 11.2.2 並網型風力發電機組 11.2.3 變速發電的控製[20] 11.3 IGBT及其集成控製器在燃料電池發電中的應用[28] 11.3.1 燃料發電的特點 11.3.2 燃料電池發電站中的逆變器參考資料
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