本書作為電力電子方向的特色專業(yè)教材，為電力電子技術(shù)從理論學(xué)習(xí)到真正工程實踐提供銜接。本書深入分析電力電子器件的內(nèi)部構(gòu)造，解讀器件的典型參數(shù)，揭示硬開關(guān)機(jī)理，系統(tǒng)梳理軟開關(guān)技術(shù)。全書共7章，可分為4部分：①電力電子器件基礎(chǔ)，即第1～3章，主要介紹電力電子器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路模型、模塊封裝、電氣特性等；②電力電子器件參數(shù)及其測試，即第4章，介紹電力電子器件數(shù)據(jù)手冊及其基本測試方法；③電力電子硬開關(guān)和軟開關(guān)技術(shù)，即第5、6章，介紹常見緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)；④軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，即第7章，著重介紹移相控制ZVS全橋變換器及LLC諧振變換器的軟開關(guān)實現(xiàn)方法。
本書可作為高等學(xué)校電力電子方向?qū)I(yè)綜合設(shè)計與實踐等相關(guān)課程的教學(xué)參考書，亦可作為電力電子領(lǐng)域工程技術(shù)人員的參考書。
本書遵循教指委相關(guān)指導(dǎo)文件和高等院校學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律編寫而成。踐行四新理念，融入思政元素，注重理論與實踐相結(jié)合。
電力電子技術(shù)是利用功率半導(dǎo)體器件,對電能進(jìn)行高效變換和控制的一門技術(shù)。作為構(gòu)成電力電子裝置和系統(tǒng)的基本要素之一,電力電子器件起著類似于電氣開關(guān)的作用。傳統(tǒng)電力電子技術(shù)教材通常把該類器件視作理想開關(guān)以簡化理論分析,然而實際電力電子器件的開通和關(guān)斷并非瞬間完成,而是呈現(xiàn)出特定的開關(guān)過程,在此期間電壓和電流存在交疊區(qū),導(dǎo)致了電力電子器件的開關(guān)損耗和硬開關(guān)現(xiàn)象。近年來,隨著以碳化硅和氮化鎵為代表的寬禁帶電力電子器件技術(shù)日趨成熟,高頻化逐漸成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一大主流趨勢,對電力電子器件開關(guān)特性的正確認(rèn)識和軟開關(guān)技術(shù)需求迫切。
作為電力電子方向的特色專業(yè)教材,本書將致力于銜接電力電子技術(shù)理論學(xué)習(xí)與工程實踐。本書涵蓋了電力電子器件理論特性和工藝基礎(chǔ)、參數(shù)解讀和測量、緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)及應(yīng)用等內(nèi)容,并注重電力電子器件相關(guān)理論和技術(shù)的系統(tǒng)性,深入淺出地梳理了電力電子器件開關(guān)現(xiàn)象背后的基礎(chǔ)理論、分析方法和對策。本書主要特色如下:
(1)從電力電子器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā),在對電力二極管、晶閘管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管等傳統(tǒng)硅基器件的電氣特性介紹基礎(chǔ)上,引入了碳化硅、氮化鎵等新型寬禁帶電力電子器件,詳細(xì)介紹了上述電力電子器件的模塊封裝技術(shù),為廣大讀者提供設(shè)計參考。
(2)為幫助研究人員對電力電子器件的合理使用,本書詳細(xì)介紹了電力電子器件數(shù)據(jù)手冊解讀方法,系統(tǒng)梳理了手冊中的各類極限參數(shù)、推薦參數(shù)、特性曲線以及典型器件參數(shù)的基本測試方法,從而為掌握電力電子器件的電氣特性和使用方法提供參考。
(3)為緩解電力電子器件開關(guān)過程中存在的電氣應(yīng)力和開關(guān)損耗問題,本書引入了緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)兩類措施。前者重點介紹了RCD緩沖電路、RLD緩沖電路及無損緩沖電路,后者則系統(tǒng)介紹了準(zhǔn)諧振變換器、零開關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器及有源鉗位電路。上述措施能夠有效減小電力電子器件電壓及電流的交疊區(qū),實現(xiàn)軟開關(guān)的同時提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。
本書由楊曉峰和寧圃奇共同編寫,其中第1、2章由寧圃奇編寫,第3~7章由楊曉峰編寫,楊曉峰對全書內(nèi)容進(jìn)行了統(tǒng)稿和反復(fù)修改,北京交通大學(xué)電力電子研究所的博士研究生劉妍,碩士研究生譚海霞、牟雯弢、廖李昕等共同參與了相關(guān)圖表和材料的整理工作。在本書編寫過程中,編者參考了國內(nèi)外有關(guān)單位和學(xué)者的著作和文章,并獲得了北京大華無線電儀器有限責(zé)任公司的資金支持,在此謹(jǐn)表衷心感謝。
由于編者水平有限,書中難免有疏漏不妥之處,敬請讀者批評指正。
編 者
高等院校教師
前言
第1章?電力電子器件基礎(chǔ) 1
1.1 半導(dǎo)體材料基礎(chǔ) 3
1.2 常規(guī)硅基電力電子器件 5
1.2.1?電力二極管 6
1.2.2?晶閘管及其衍生器件 12
1.2.3?電力場效應(yīng)晶體管 18
1.2.4?絕緣柵雙極型晶體管 24
1.2.5?其他硅基電力電子器件 31
1.3 寬禁帶電力電子器件 35
1.3.1?碳化硅肖特基勢壘二極管 36
1.3.2?碳化硅場效應(yīng)晶體管 38
1.3.3?氮化鎵電力電子器件 39
1.3.4?寬禁帶電力電子器件的應(yīng)用 40
1.3.5 寬禁帶電力電子器件帶來的技術(shù)
進(jìn)步 41
習(xí)題 43
第 2章?電力電子器件模塊封裝 44
2.1 電力電子器件模塊封裝基礎(chǔ) 44
2.1.1 鍵合型功率模塊封裝結(jié)構(gòu)和
材料 44
2.1.2?鍵合型功率模塊封裝工藝 49
2.1.3?智能功率模塊 51
2.1.4?平面型功率模塊 51
2.1.5?壓接型功率模塊 52
2.2 碳化硅器件封裝 53
2.3 氮化鎵器件封裝 54
習(xí)題 56
第3章?電力電子器件的電氣特性 57
3.1 電力二極管的電氣特性 57
3.1.1?電力二極管的主要參數(shù) 57
3.1.2?電力二極管的動態(tài)特性 58
3.2 IGBT的電氣特性 59
3.2.1?IGBT的主要參數(shù) 59
3.2.2?IGBT的開通過程 60
3.2.3?IGBT的關(guān)斷過程 65
3.2.4?IGBT的安全工作區(qū) 68
3.2.5?IGBT的米勒效應(yīng) 69
3.2.6?IGBT的阻斷特性 70
3.2.7?IGBT的雪崩擊穿特性 71
習(xí)題 72
第4章 電力電子器件的參數(shù)及測試
基礎(chǔ) 73
4.1 解讀電力電子器件的數(shù)據(jù)手冊 73
4.1.1?極限參數(shù) 73
4.1.2?推薦參數(shù) 76
4.1.3?特性曲線 81
4.1.4?封裝信息 83
4.2 動態(tài)參數(shù)的測試 84
4.2.1?雙脈沖測試方法 84
4.2.2?雙脈沖測試的注意事項 87
4.2.3?雙脈沖測試參數(shù)的設(shè)定 90
4.3 電力電子器件動態(tài)測試平臺的構(gòu)建 92
4.3.1?雙脈沖測試平臺 92
4.3.2?短路測試平臺 97
習(xí)題 100
第5章 電力電子器件的硬開關(guān)及
緩沖電路 101
5.1 理想開關(guān)過程 101
5.2 電力電子器件的硬開關(guān)過程 102
5.2.1 硬開關(guān)過程 102
5.2.2 硬開關(guān)問題的解決 105
5.3 緩沖電路 106
5.3.1 RCD緩沖電路 106
5.3.2 RLD緩沖電路 111
5.3.3 無損關(guān)斷緩沖電路 115
5.3.4 無損開通緩沖電路 118
習(xí)題 120
第6章?電力電子軟開關(guān)技術(shù) 121
6.1 軟開關(guān)技術(shù) 121
6.1.1 軟開關(guān)的概念 121
6.1.2 軟開關(guān)技術(shù)的分類 122
6.2 軟開關(guān)技術(shù)的分析基礎(chǔ) 123
6.2.1 狀態(tài)軌跡法 123
6.2.2 基波分量近似法 128
6.3 準(zhǔn)諧振變換器 130
6.3.1 準(zhǔn)諧振開關(guān)單元 130
6.3.2 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 132
6.3.3 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路 141
6.3.4 零電壓開關(guān)多諧振電路 151
6.4 零開關(guān)PWM變換器 158
6.4.1 零開關(guān)PWM開關(guān)單元 159
6.4.2 零電壓PWM變換器 162
6.4.3 零電流PWM變換器 168
6.5 零轉(zhuǎn)換PWM變換器 175
6.5.1 零轉(zhuǎn)換PWM開關(guān)單元 176
6.5.2 零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器 178
6.5.3 零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器 184
6.6 有源鉗位電路及其實現(xiàn) 192
6.6.1 有源鉗位ZVS PWM正激
變換器 192
6.6.2 有源鉗位ZVS PWM反激
變換器 202
習(xí)題 211
第7章?電力電子軟開關(guān)應(yīng)用技術(shù) 212
7.1 移相控制ZVS全橋變換器 212
7.1.1 工作原理 212
7.1.2 軟開關(guān)條件 218
7.2 全橋LLC諧振變換器 222
7.2.1 工作原理 222
7.2.2 基于基波分量近似法的簡化
電路 228
7.2.3 輸出輸入電壓傳輸比 230
習(xí)題 233
參考文獻(xiàn) 234
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