Elements of Power Electronics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Krein, Phillip T.

出品人:

页数:784

译者:

出版时间:1997-9

价格:$ 190.91

装帧:

isbn号码:9780195117011

丛书系列:

图书标签:

• 电力电子
• 功率半导体
• DC-DC转换器
• 逆变器
• 电力变换
• 控制系统
• 电路分析
• 电磁兼容
• 新能源
• 电力质量

电子学基础原理与应用：深入探索半导体器件、电路设计与系统集成 本书旨在为读者提供一套全面而深入的现代电子学知识体系，涵盖从最基本的半导体物理到复杂集成电路的设计与应用。本书结构严谨，内容翔实，力求在理论深度与工程实践之间找到最佳平衡，尤其侧重于前沿技术和实际工程问题。 --- 第一部分：半导体物理与器件基础 (Foundations in Semiconductor Physics and Devices) 本部分是理解现代电子系统的基石。我们摒弃了过于简化的模型，深入探讨了构成所有现代电子设备的核心——半导体材料的内在机制。 第一章：固体物理基础回顾与能带理论 本章首先回顾了晶体结构、布拉菲点阵和倒易空间的概念。随后，重点解析了电子在周期性势场中的运动，清晰阐述了能带理论的形成机理。详细讨论了有效质量、态密度（Density of States, DOS）的推导及其对载流子传输性能的影响。能量带结构（价带、导带、禁带）的深入分析，为理解PN结和MOS结构的工作原理奠定了理论基础。 第二章：PN结的建立与稳态特性 本章以一维Poisson方程和连续性方程为核心，推导了平衡状态下的内建电势。详细分析了不同偏压（零偏、正偏、反偏）下耗尽区的宽度变化、空间电荷分布以及电流-电压（I-V）特性曲线的物理起源。特别关注了高浓度掺杂下的齐纳击穿机制与雪崩击穿现象的辨析。 第三章：二极管的动态过程与特殊类型 超越稳态分析，本章深入探讨了二极管在开关状态下的动态行为，包括存储时间效应（Storage Time）和开关速度的限制因素。随后，系统介绍了各类重要二极管，如肖特基势垒二极管（SBD）的低损耗特性、齐纳二极管的精密稳压应用，以及光电二极管和发光二极管（LED）的光电转换原理及其在光通信中的初步应用。 第四章：BJT与MOSFET的物理模型与特性 晶体管是现代电子系统的核心放大和开关元件。本章首先从双极性结型晶体管（BJT）的基区、集电区电流传输机制出发，推导了Ebers-Moll模型及其简化形式，并详细分析了高注入效应和早期效应。 随后，重点转向金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。详尽阐述了“理想”MOS电容器的C-V特性曲线（恒压、恒频），并逐步引入阈值电压的精确计算（包括动阈值效应和短沟道效应的初步影响）。对于MOSFET的工作区（截止、线性、饱和）的电流方程（如平方律模型）进行了严谨的推导和物理意义的阐释，为后续的集成电路设计打下基础。 --- 第二部分：模拟电子电路设计 (Analog Circuit Design) 本部分着重于如何利用半导体器件搭建具有特定信号处理功能的模拟电路，强调线性化、反馈与频率响应的精确控制。 第五章：晶体管的偏置与小信号模型 本章强调了工作点（Q点）选择的重要性，探讨了稳定偏置电路的设计方法，包括分压偏置法、集电极反馈偏置法及其对温度漂移的抑制能力。引入小信号等效电路模型（Hybrid-pi模型和T模型），精确描述晶体管在小信号激励下的线性放大特性，并计算跨导（$g_m$）和输入/输出阻抗。 第六章：基本放大电路分析 系统分析了不同配置的单级放大器：共源、共射、共源共基（共源共基）、共集（射随器）的电压增益、电流增益、输入/输出阻抗以及带宽特性。特别深入探讨了共源共基结构在实现高输入阻抗和高输出阻抗隔离中的关键作用。 第七章：多级放大器、频率响应与反馈理论 多级放大器的级联设计是实现高增益的关键。本章讨论了级联对总增益、输入输出阻抗的影响，并着重分析了放大器在低频（由耦合电容和旁路电容决定）和高频（由寄生电容决定）下的频率响应。使用波特图（Bode Plot）分析带宽的限制。 核心内容是负反馈理论。详细推导了反馈系统的增益、输入阻抗、输出阻抗以及带宽与开环增益的关系。分析了电压串联、电流并联等四种反馈组态的适用场景，并探讨了反馈对电路稳定性的影响（相位裕度和增益裕度）。 第八章：运算放大器（Op-Amp）的理想与非理想特性 本章将理想运放作为分析工具，讲解了反相、同相、差动放大器、积分器和微分器的基本应用。随后，深入研究了实际运放的非理想特性：输入失调电压、共模抑制比（CMRR）、开环增益的频率依赖性（增益带宽积GBW），以及压摆率（Slew Rate）对大信号输出的限制。 第九章：源场效应管（FET）放大电路 与BJT并行，本章聚焦于MOSFET和小信号的放大电路设计。推导了共源、共漏（源随器）和小信号共基（共栅）放大器的特性，并强调了共栅结构在实现高频性能和高输出阻抗方面的优势，是构建现代集成电路的基础。 --- 第三部分：数字电子学与逻辑电路 (Digital Electronics and Logic Circuits) 本部分转向信息的离散化处理，核心在于理解开关逻辑的实现、时序控制与存储机制。 第十章：晶体管级开关与逻辑门基础 本章详细剖析了NMOS和CMOS晶体管作为开关的工作原理。重点分析了CMOS反相器的工作特性，包括其静态功耗（亚阈值导通）、噪声容限（Noise Margin）以及延时特性的计算。随后，基于CMOS技术，推导和实现了基本的两输入逻辑门（NAND, NOR）及其复合逻辑结构。 第十一章：组合逻辑与逻辑电路化简 本章系统地介绍了布尔代数和卡诺图（Karnaugh Maps）的化简方法。详细讨论了多输入逻辑函数的实现，包括使用标准逻辑系列（如TTL和CMOS标准系列）和可编程逻辑器件（PLD）的基本结构。分析了逻辑门电路中的扇入（Fan-in）和扇出（Fan-out）限制。 第十二章：时序逻辑电路与存储元件 组合逻辑缺乏记忆能力，本章引入了时序元件。详细解释了锁存器（Latches）和触发器（Flip-Flops，如SR, D, JK, T型）的工作原理、状态图和特性表。分析了时钟（Clock）对触发器同步操作的要求，以及建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）对系统可靠性的影响。 第十三章：时序系统设计与时序分析 本章将时序逻辑元件组织成复杂的系统。讨论了寄存器组、移位寄存器和基本计数器的设计。核心内容是时序分析：计算系统时钟周期的最大允许值，识别和消除竞争冒险（Race Conditions），确保系统在时钟边沿稳定地完成状态转移。 --- 第四部分：电源管理与系统集成基础 (Power Management and System Integration Basics) 本部分将视角从信号处理扩展到能量传输和系统级的优化，关注效率和稳定性。 第十四章：线性稳压器与开关稳压器原理 本章对比了线性稳压器（LDO）和开关稳压器（Switching Regulators）的优缺点。深入分析了LDO的压降和效率限制。对于开关稳压器，详细解析了Buck（降压）、Boost（升压）拓扑的工作原理，推导了理想状态下的电压转换比，并讨论了占空比控制（PWM）在稳压过程中的作用。 第十五章：滤波器设计：从集中到分布式 本章涵盖了基本的信号滤波理论。分析了RC和RL一阶滤波器的幅频和相频特性。重点讨论了二阶滤波器（RLC）的性能，包括Q值（品质因数）的定义及其对过渡带陡峭度的影响。引入了巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）滤波器的设计标准及其在实际应用中的权衡。 第十六章：互连、噪声与电磁兼容性（EMC）初步 在系统集成层面，信号质量至关重要。本章探讨了导线和PCB走线作为传输线的特性，分析了反射现象、信号过冲和串扰（Crosstalk）。介绍了接地（Grounding）技术和屏蔽（Shielding）策略，为理解高频电路中的噪声耦合和电磁兼容性问题提供了工程实践指导。 --- 本书特色： 本书在理论推导上保持了严谨性，例如对MOSFET饱和电流的二次方程的物理来源进行详细剖析；同时，每章末尾均附有旨在引导学生思考工程限制和设计取舍的习题，并结合实际的半导体器件参数（如$V_{th}$，$mu C_{ox}$）进行案例分析，确保读者不仅理解“如何工作”，更能理解“为什么这样设计最优化”。本书是电子工程、微电子学和相关领域学生进行系统化学习的理想教材。

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这本书，说实话，拿到手的时候我就有点被它的厚度和专业的封面设计给“震慑”住了。我当时正好在为我的研究生课程项目寻找一本能真正深入浅出讲解电力电子核心概念的参考书。我之前看过好几本号称是入门的教材，结果发现它们要么过于侧重理论推导而忽略了实际应用中的那些“坑”，要么就是内容过于肤浅，感觉就像是高中物理的延伸版。而这本《Elements of Power Electronics》给我的感觉完全不同。它就像一位经验极其丰富的工程师，耐心地把你领进这个复杂而迷人的领域。作者在讲解开关模式电源（SMPS）的工作原理时，没有直接扔出一堆复杂的数学公式，而是先用非常直观的图形和类比，帮你建立起一个完整的系统认知框架。比如，在讲解MOSFET的选择和驱动时，他不仅仅讨论了导通损耗和开关损耗的计算，还深入探讨了栅极电荷管理对效率和电磁干扰（EMI）的实际影响，这一点在很多教材里都是一笔带过。此外，书中对热管理和散热设计的重视程度也让我印象深刻，这在实际工程中简直是生死攸关的一环，很多理论书往往只停留在“假定散热良好”的理想状态，这本书则非常务实地告诉我们，一个好的设计必须考虑到热平衡。整体来说，它提供了一种自顶向下、再深入底层的学习路径，让人感觉每翻过一页，对整个电力电子系统的掌控力就增强了一分。

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阅读体验上，这本书绝对是兼顾了学术严谨性与工程可读性的一个成功案例。我个人对那些动辄上百页的公式推导感到头疼，很容易在冗长的代数操作中迷失了对物理现象的直观把握。然而，这本书在关键的数学证明部分处理得非常巧妙，它懂得在何时“暂停”推导，插入一个清晰的图示或者一个实际的例子来巩固刚刚学到的概念。例如，在讲解脉冲宽度调制（PWM）的电流谐波分析时，作者没有直接用傅里叶级数硬算，而是先用时间-电压积分的概念来解释谐波的产生机制，然后再引入数学工具进行量化。这种循序渐进的方式极大地降低了初学者的学习门槛。此外，书中附带的那些仿真案例和结果图，看起来非常真实，它们不再是那种完美的、理论上的波形，而是包含了实际开关产生的振铃（Ringing）和轻微的过冲（Overshoot）的波形，这对于培养我们对实际电路噪声和信号完整性的敏感度至关重要。我甚至觉得，如果把这本书的内容完全吃透，即使不去看任何仿真软件的操作手册，也能对一个开关电路的“健康状况”做出八九不离十的预判。

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从一个更宏观的角度来看，这本书提供了一种看待电力电子系统的方法论，超越了单一模块的设计范畴。它在最后几章，将焦点从单个变换器转移到了整个电源系统，特别是对EMI/EMC和系统级可靠性的探讨，显示出了作者深厚的行业洞察力。在现代电子设备中，一个电源模块的“安静”程度往往和它的效率同等重要，这本书没有避开这个难题，而是系统地讲解了辐射发射（RE）和传导发射（CE）的来源，并给出了从布局、滤波到屏蔽的实际缓解策略。它清晰地阐述了布局中的寄生电感和耦合如何影响高频开关噪声的传播，这对于设计紧凑型高功率密度电源至关重要。更难能可贵的是，它还触及了当前电力电子的前沿趋势，比如高频化带来的材料挑战以及对新型磁性元件的需求，这为我们未来的研究方向提供了很好的指引。总而言之，这本书不仅是一本扎实的教科书，更像是一份兼具理论深度和工程实践智慧的指南，它帮助我构建了一个完整、可靠且前瞻性的电力电子知识体系，是书架上绝对不可或缺的“重器”。

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这本书在功率半导体器件的选型和应用方面的讨论，简直是为现场工程师量身定制的宝典。在电力电子领域，设计过程往往被“器件决定设计”所主导，你必须对各种IGBT、SiC MOSFET、GaN HEMT的特性了如指掌。这本书在这方面的深度和广度，让我非常惊喜。它不仅仅是比较了不同器件的优劣，更重要的是，它引入了“等效损耗模型”的概念，帮助读者理解在特定工作频率和温度下，哪种器件组合能够在成本、效率和寿命之间取得最佳平衡。我印象特别深的是关于SiC MOSFET开关瞬态行为的分析，它强调了米勒平台（Miller Plateau）的敏感性以及如何通过优化栅极驱动回路的布局来抑制电压尖峰，这一点，即便是很多专门的器件应用手册也可能讲解得不如这里系统。它教会了我如何去“阅读”器件的数据手册，而不是被动地接受上面的参数，而是要根据我的具体应用场景去反向推导和验证这些参数的适用范围。这本书无疑提升了我对器件层面选择的判断力和信心，让我不再仅仅是电路拓扑的设计者，而是全系统优化的决策者。

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这本书的结构安排简直是教科书级别的典范，特别是它对变换器拓扑分类和分析的逻辑性，让人叹为观止。我发现很多电力电子的书籍在介绍DC-DC变换器时，往往是按照“Buck、Boost、Buck-Boost”的顺序依次介绍，看完之后总觉得这些拓扑之间缺乏一个内在的联系。但这本著作的厉害之处在于，它似乎构建了一个“拓扑生成树”，让你理解为什么某些拓扑是必然出现的，以及如何系统地推导出新的、更优化的结构。它不只是简单地罗列公式，而是深入挖掘了每个拓扑背后的能量流动的基本物理限制。我特别喜欢其中关于平均状态模型（Average State Model）的章节，它没有急于求成地直接上复杂的传递函数，而是用状态变量的连续性来构建模型，这使得我们在设计控制环路，比如PID参数整定时，能更深刻地理解系统的动态响应特性，而不是仅仅依靠试错法来调整增益。当我试图将书中的理论应用于设计一个高频LLC谐振变换器时，我发现书里关于谐振点附近增益曲线斜率的分析，远比我之前阅读的任何资料都要清晰和精确，这直接帮助我避免了一个在实际制作中常见的锁频问题。对于那些希望从“知道如何做”跃升到“知道为什么这样做”的工程师来说，这本书提供了必要的理论基石。

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