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結閤多年的理論探索和技術實踐， 揭示電力電子電磁瞬態過程的規律及分析方法，是一部高水平的著作

內容簡介

本書係統地論述瞭電力電子係統瞬態過程的理論分析和實際應用。全書內容分為10章。第1章從電力電子係統解析和綜閤兩方麵分彆梳理和認識電力電子係統的結構和屬性； 第2章敘述電力電子係統電磁瞬態過程及其建模； 第3~5章分彆論述瞭功率開關器件瞬態特性、瞬態換流拓撲及其雜散參數和基於器件特性的係統安全工作區； 第6~8章分彆論述瞭電磁瞬態過程的量測、主電路電磁脈衝及其序列和高性能閉環控製及其限製； 第9章闡述瞭瞬態電磁能量平衡控製策略基本原理與控製方法； 第10章主要介紹瞭電磁瞬態分析在典型電力電子係統中的應用。
本書可供從事電力電子領域工作，特彆是從事大容量電力電子係統研究、裝置開發和工程應用的專業人士參考，也可作為高等院校相關專業教師和研究生的參考教材。

目錄

第1章緒論
1.1電力電子係統解析
1.1.1功率半導體器件
1.1.2功率變換電路
1.1.3脈衝控製
1.2電力電子係統綜閤
1.2.1硬件與軟件的統一性
1.2.2能量與信息的互動性
1.2.3綫性與非綫性的轉換性
1.2.4離散與連續的混雜性
1.2.5多時間尺度的協調性
1.3電力電子係統應用
1.3.1柔性交直流輸電
1.3.2新能源並網發電中電力電子裝置
1.3.3電力牽引
1.4電力電子係統存在的問題
1.4.1對功率開關器件短時間尺度的電磁瞬態過程認識不清
1.4.2瞬態電能變換拓撲結構理想化
1.4.3信號脈衝與能量脈衝差異
1.4.4電磁瞬態過程不明確
第2章電磁瞬態過程及其建模
2.1電力電子係統中的電磁瞬態過程
2.1.1主功率迴路電磁瞬態過程
2.1.2驅動迴路電磁瞬態過程
2.1.3控製迴路電磁瞬態過程
2.2電磁瞬態過程數學模型
2.2.1電磁瞬態過程建模方法
2.2.2主電路電磁瞬態模型
2.2.3元器件電磁瞬態模型
2.2.4驅動電路和控製電路的電磁瞬態模型
2.3時間尺度的差異及其影響
2.3.1典型瞬態迴路時間尺度及比較
2.3.2不同時間常數迴路電磁變換關係
2.3.3時間常數差異帶來的影響
2.3.4電磁變換平衡下的迴路參數匹配
2.4電磁脈衝及脈衝序列
2.4.1電磁脈衝及脈衝序列數學描述
2.4.2脈衝及其序列傳輸和變異
2.4.3時間脈衝序列和脈衝邏輯組閤
第3章功率開關器件瞬態特性
3.1功率開關器件的物理機製和器件特性關係
3.1.1物理機製與典型器件特性的關係
3.1.2不同物理機製器件特性差異
3.2變換器中功率開關器件瞬態特性測試
3.2.1單個器件測試的拓撲與控製
3.2.2獨立測試平颱單個器件瞬態特性
3.2.3變換器中的單個器件瞬態特性
3.3變換器中功率開關器件瞬態特性分析
3.3.1運行中開關特性分析
3.3.2相互影響現象分析
3.4功率開關器件的並聯運行
3.4.1關鍵參數對並聯器件瞬態特性影響
3.4.2IGBT並聯特性分析
3.4.3IGBT並聯實驗研究
3.5功率開關器件的串聯運行
3.5.1器件串聯均壓的基本思路
3.5.2IGCT串聯
第4章瞬態換流拓撲及其雜散參數
4.1瞬態換流拓撲定義
4.1.1變換器拓撲定義
4.1.2變換器瞬態換流拓撲
4.2復雜主電路雜散參數提取方法
4.2.1提取方法對比
4.2.2PEEC準確性分析
4.2.3復雜結構的參數提取簡化處理
4.3基於模塊封裝IGBT的變換器主電路雜散參數分析
4.3.1雜散參數對變換器中IGBT特性影響
4.3.2IGBT變換器直流母排建模
4.4基於平闆壓裝IGCT的變換器主電路雜散參數分析
4.4.1IGCT三電平變換器主電路母排建模
4.4.2瞬態換流拓撲
4.5雜散參數影響量化分析及其優化
4.5.1模塊封裝IGBT變換器中的雜散參數影響評估
4.5.2模塊封裝IGBT變換器母排優化
4.5.3平闆壓裝IGCT變換器中的雜散參數影響評估
4.5.4平闆壓裝IGCT三電平變換器母排優化
第5章基於器件特性的係統安全工作區
5.1係統安全工作區的定義
5.1.1係統安全工作區的基本思想
5.1.2器件安全工作區與係統安全工作區的關係
5.2係統安全工作區的數學模型
5.2.1關鍵器件、拓撲和控製參數定義
5.2.2數學模型推導
5.2.3基於係統安全工作區設計樣例
5.3係統安全工作區的影響因素分析
5.3.1直流母排雜散參數影響
5.3.2控製參數影響
5.3.3外部參數影響
5.3.4溫度參數影響
5.3.5器件並聯特性影響
5.4基於係統安全工作區的評估與優化設計
5.4.1評估與優化設計流程
5.4.2係列化電力電子變換器設計中的應用
5.4.3基於係統安全工作區變換器評估與保護
第6章電磁瞬態過程的量測/觀測分析
6.1采樣係統的結構、組成和功能
6.2采樣係統中功率量和信號量的差異
6.3采樣延遲和誤差對控製性能的影響
6.3.1頻域分析
6.3.2時域分析
6.4抑製采樣延遲和誤差設計
6.4.1硬件設計
6.4.2軟件設計
6.4.3采樣係統優化設計的效果
第7章主電路電磁脈衝及其序列
7.1電力電子係統中各類脈衝及其序列的數學描述
7.1.1各類脈衝的區彆及演化過程
7.1.2能量脈衝數學描述
7.1.3信號脈衝數學描述
7.1.4能量脈衝序列數學描述
7.1.5信號脈衝序列數學描述
7.2脈衝形態變化的影響及解決方法
7.2.1死區影響及最小脈寬設計方法
7.2.2最小脈寬影響及解決方法
7.2.3離散誤差及其補償方法
7.3脈衝時序變化的影響及解決方法
7.3.1脈衝延遲對控製性能的影響
7.3.2脈衝延遲的補償方法
第8章高性能閉環控製及其限製
8.1閉環控製係統結構與限製
8.1.1閉環控製係統的結構
8.1.2傳統控製方法的限製
8.2控製策略造成的無效脈衝的影響及解決方法
8.2.1控製耦閤産生的無效脈衝
8.2.2控製器飽和産生的無效脈衝
8.2.3變換器特殊運行狀態中産生的無效脈衝
8.3短時間尺度主動控製方法
8.3.1主電路電磁脈衝的控製方法分類
8.3.2主電路電磁脈衝的主動控製方法
8.3.3主動控製方法的效果
8.3.4主動控製方法與主電路集成技術
8.3.5分布式主動控製方法的效果
第9章瞬態過程中的電磁能量平衡
9.1電磁能量平衡及建模
9.1.1瞬態電磁能量平衡關係
9.1.2基於瞬態能量平衡的控製建模
9.2基於瞬態能量平衡的控製
9.2.1傳統電壓控製策略性能分析
9.2.2基於瞬態能量平衡的控製策略
9.3背靠背變換器能量平衡控製
9.3.1雙PWM變頻器係統的能量平衡模型
9.3.2雙PWM變頻器母綫電容能量波動過程分析
9.3.3基於分步補償的能量平衡控製策略
9.3.4基於能量平衡控製策略的母綫電壓波動
最小化設計方法
9.4電磁能量平衡控製分析
9.4.1控製係統小信號模型
9.4.2係統穩定性分析
9.4.3係統動態性能分析
9.4.4係統穩態誤差分析
9.4.5仿真與實驗結果分析
第10章變換係統中電磁瞬態分析的應用
10.1高壓IGBT串聯變換器電磁瞬態分析
10.1.1適用於高壓IGBT串聯的瞬態機理模型
10.1.2串聯IGBT瞬態行為分析
10.1.3拖尾階段的瞬態特性
10.2基於SiC器件的高頻變換器
10.2.1開關瞬態過程分析與建模
10.2.2高頻變換器電磁瞬態過程分析
10.3結語
參考文獻

精彩書摘

第3章功率開關器件瞬態特性
功率開關器件是電力電子變換的基礎，功率開關器件隻有在電力電子係統應用中纔能真正體現其特性。從係統解析的角度看，功率開關器件是電力電子係統構成的主要要素之一，並與變換係統中的其他要素(如主電路拓撲和控製等)交叉耦閤在一起，共同決定瞭電力電子係統的電磁瞬態過程。從係統綜閤的角度看，功率開關器件是從軟件到硬件的關鍵執行元件，是信息能量互動的重要集結地，也是係統中非綫性現象最突齣的地方。所以，功率開關器件瞬態特性是電力電子係統瞬態過程中的關鍵環節，從功率開關器件本身來看，其內部物理機製和外部影響因素共同決定瞭它的電磁瞬態特性。
3.1功率開關器件的物理機製和器件特性關係
3.1功率開關器件的物理機製和器件特性關係
功率開關器件(power semiconductor devices)也稱電力半導體器件。根據IEEE的一般定義，電力電子技術是有效地使用電力半導體器件，應用電路和設計理論以及分析方法工具，實現對電能的高效變換和控製的一門技術。
在大容量電力電子技術應用中，功率半導體的地位更加突齣，它對裝置的可靠性、成本和性能起著十分重要的作用，目前功率開關器件的水平還遠不能滿足實際的需求。所以，如何掌握好功率開關器件的電磁瞬態特性、充分發揮器件的應用潛力，一直是研究熱點。圖3.1給齣瞭幾種典型的高壓大容量功率開關器件的電壓電流容量圖。由圖可見，功率開關器件的電量額定值是有限值的。
圖3.1幾種典型的高壓大容量功率開關器件額定電壓和電流
功率開關器件特性並無準確的定義，一般指的是功率開關器件在變換器應用中所錶現齣來的各種電氣、熱工和機械特性，包括器件的通態、阻態、開通、關斷、恢復、驅動、機械、熱特性等，體現為器件外在的、可測量的特性，而實際上這些特性是由器件內部的物理機製與器件外部因素之間的相互影響共同決定的。功率開關器件具體型號繁多，可以按照物理機製分成幾大類，每類器件的特性具有一定的相似性。
3.1.1物理機製與典型器件特性的關係
從器件的物理本質上講，功率開關器件與集成電路(IC)芯片非常類似，它們都由PN結、雙極型晶體管、MOS(金屬氧化物半導體)等結構構成，因此基本的半導體器件物理學理論可以適用於這兩個不同領域的器件。但是從器件的製作和應用角度講，兩類器件存在明顯的差異，功率開關器件應用中需要考慮大功率電路特性，如絕緣、大電流能力等。在實際應用中，以開關模式為運行特徵，一般不運行在放大狀態。功率開關器件應用在電力電子變換器中，實施的是電磁能量變換，而不是單純的數字信號邏輯，或者簡單的開/關狀態。因此，功率開關器件所固有的非理想特性在電力電子變換器中顯得非常重要。
1. 物理機製分類
對於功率開關器件來說，其物理機製與器件內部載流子性質和內部構造有密切關係。按照半導體器件中載流子的性質可以分為雙極型、單極型和混閤型，按照半導體器件中內部的簡化構造可以分成兩層一結的二極管、三層兩結的晶體管、四層三結的晶閘管等。
1) 雙極型器件
雙極型器件是指在器件內部電子和空穴兩種載流子都參與導電過程的半導體器件，都是基於PN結原理的結型半導體器件，也稱結型器件。但是結型場效應晶體管(JFET)等器件，其工作時器件內僅有多數載流子參與導電，屬於單極型器件。雙極型器件的通態壓降低、阻斷電壓高、電流容量大，開關頻率一般不高，適用於中大容量的變流裝置。常見的有BJT、GTO、GCT(IGCT中的門極換流晶閘管，不包括集成門極電路)等。
BJT是三層結構的雙極型器件，它具有控製方便、開關時間短、通態壓降低、高頻特性好等優點。由於存在二次擊穿的問題和耐壓難以提高的缺點，阻礙瞭它的進一步發展，因而在大容量電力電子係統使用較少。
GTO是四層結構的雙極型器件，是目前耐壓較高、電流容量較大的一種全控型器件。其派生形式較多，如逆阻型、逆導型、無反壓型、掩埋門極型、放大門極型以及MOS型等。這種器件的缺點是關斷增益較小，門極反嚮關斷時容量要求大； 為瞭限製dv/dt及關斷損耗，需設置專門的緩衝電路而會消耗一定的能量。但與傳統的晶閘管相比，GTO在體積、質量、效率、可靠性諸方麵有較明顯的優勢。GTO通過壽命控製技術摺中瞭導通電壓和關斷損耗之間的矛盾，它一方麵在許多高電壓大電流應用領域中取代瞭傳統的晶閘管，另一方麵又在一些稍低容量等級應用中逐漸被IGCT等器件取代。
2) 單極型器件
單極型器件是指器件內隻有一種載流子(即多數載流子)參與導電過程的功率開關器件。這類器件的開關頻率一般較高，耐壓為幾百伏的器件最高開關頻率可以達到幾十到幾百韆赫。典型器件代錶有功率MOSFET。
功率MOSFET為電壓控製器件，具有驅動功率小、開關速度高、無二次擊穿問題、安全工作區寬等顯著特點。這種器件還具有電流負溫度係數、良好的電流自動調節能力、良好的熱穩定性和較高的抗乾擾能力等優點。另外，由於導電機理和結構的特點，其電流容量和耐壓提高難度較大，通常用於中小功率、開關頻率較高的變流裝置中。
肖特基二極管和JEFT等器件工作時，其器件內部隻有多數載流子參與導電行為，屬於單極型器件。這類器件的開關頻率甚至可以達到兆赫，但是器件的容量非常有限，當寬禁帶材料用於該類材料時，器件的容量水平纔得到明顯提高。
3) 混閤型器件
混閤型器件也稱復閤型器件，由雙極型器件和單極型器件集成混閤而成。它們利用耐壓高、電流密度大、導通壓降低的雙極型器件(如SCR、GTO、BJT等)作為功率輸入輸齣通道，而利用輸入阻抗高、響應速度快的單極型器件MOS結構作為控製通道，因而兼備瞭兩者的優點。這類器件的典型代錶有IGBT和IEGT等，而IGCT等為通過芯片外部實現兩類器件混閤的器件。
IGBT由於其突齣的優良性能而得到越來越廣泛的應用。它具有大功率晶體管的導通壓降低、通流密度大等優點，又同時兼具MOSFET的開關頻率高、開關損耗低、控製方便等優點。因此，IGBT開關器件發熱少，驅動功率小，體積趨於更小。同時，IGBT的安全工作區寬，噪聲低，驅動保護十分容易，具有正電阻溫度係數的IGBT可以並聯運行。
IEGT是一種電子注入增強型絕緣柵極晶體管，其柵極具有改進構造，再加上精密設計的陰極結構，使它既能保持IGBT的優良關斷特性，又能在大電流情況下降低通態電壓。
IGCT是集成門極驅動電路和門極換流晶閘管(GCT)的總稱。其特性介於GTO與IGBT之間，具有功率大、耐壓高、開關頻率較高、驅動功率小等特點，適閤作為中高壓變換器開關器件。
隨著功率開關器件的不斷發展，新的材料、工藝和技術的采用，一些分類標準並不能很好體現電力半導體器件的區彆，因此也産生其他一些分類方法。比如，隨著寬禁帶材料的使用，基於SiC和GaN材料的器件正成為器件領域研究的熱點問題，此時可以按照材料特性對器件進行分類，如Si器件、SiC器件和GaN器件等。同樣，隨著器件在變換器中的安裝形式不同，根據器件的封裝進行分類，如壓接式器件、模塊器件等，一般的壓接器件的電流容量都較大。
在此選取幾種典型特性，如極限結溫、耐壓、過流等，來分析器件內部的物理機製。
2. 器件的極限結溫與半導體本徵溫度
功率開關器件的應用特性幾乎全都與溫度有關，在所有的器件手冊中都規定瞭極限工作結溫，這實際上與構成器件的半導體材料密切相關。在功率半導體分析中，控製摻雜半導體的載流子濃度非常關鍵。一般假設摻雜雜質都被電離，同時雜質載流子濃度遠大於本徵載流子濃度，這是控製半導體器件特性的基礎。實際上這些假設都與溫度存在一定的關係。
在器件機製分析中，經常假設半導體中的純載流子濃度|ND-NA|(ND一般為五價雜質濃度，也稱為施主雜質濃度； NA一般為三價雜質濃度，也稱為受主雜質濃度)比本徵載流子濃度ni大得多。而實際上，隨著半導體材料溫度的不斷升高，材料中矽的價電子能獲得的熱能不斷增加。本徵載流子濃度也在不斷增加。當增加到一定程度，上述假設不再滿足，此時矽半導體中的電子濃度不再近似等於|ND-NA|。圖3.2中，給齣瞭N型半導體中不同|ND-NA|值下，自由電子濃度隨溫度變化而變化的情況。
圖3.2電子濃度隨溫度變化而變化的情況
在很低的溫度條件下，電子被施主原子或空穴被受主原子所約束而沒有被電離，稱作載流子被凍結。雜質原子不能完全被電離，會很明顯地影響半導體中的載流子濃度。在圖3.3中完整地給齣瞭一個N型半導體從低溫到高溫時電子濃度的變化。在很寬的溫度範圍內，電子濃度與摻雜原子濃度相等，這個範圍被稱為工作區。在高溫條件下，本徵載流子濃度很快增加，最後超過摻雜原子濃度，該溫度點一般稱為本徵溫度。
當半導體溫度高於本徵溫度時，摻雜原子對載流子濃度不再有影響，該溫度對於半導體材料構成的器件非常重要，所以本徵溫度與半導體器件最高工作溫度有密切關係。另一方兩者又存在差異，這與功率開關器件的設計關係十分密切。比如功率開關器件為瞭提高耐壓，總是需要一個有很低摻雜濃度的區域，通常該區域對應的本徵溫度不等於器件最高工作溫度。一般來說，保證器件額定運行的最高溫度即為額定最高結溫。通過圖3.3看齣，矽器件的額定最高結溫一般為125~150℃，該溫度是由矽材料特性決定的。在寬禁帶材料構成的器件中，該溫度可以大大提高，這是寬禁帶器件優於矽基器件的特性之一。
圖3.3N型半導體電子濃度隨溫度變化示意圖
3. PN結的擊穿與穿通
幾乎所有功率開關器件的耐壓主要是由PN結承擔，器件在正、反嚮承壓時參與承壓的PN結可能不同。
由PN結的伏安特性可知： 在施加反嚮偏壓時，反嚮電流與反嚮偏壓無關而保持一很小的數值，即反嚮飽和電流(也稱為漏電流)。然而，在實際的反偏置PN結中，反嚮電流隨著反嚮電壓的增大而略有增長。當反嚮偏壓增大到某一數值時，反嚮電流驟然變大，如圖3.4的第三象限所示。
……

前言/序言

繼人們對電機過渡過程和電力係統暫態過程分析之後展開的對電力電子係統瞬態過程的分析，正改變著人們對電氣工程學科的看法，使之形成一種新的電氣工程學科自然觀，促進瞭一批電氣工程學科新思想、新理念、新方法和新技術的孕育和發展，並有可能從根本上影響現代電氣工程學科的動力學分析體係。
與電機和電力係統學科不同，電力電子學科從一開始就定義為交叉學科，包括功率半導體器件、功率變換電路以及對器件與電路的控製，同時需要考慮電磁場、熱力場、機械力場等多種物理場的融閤。特彆是全控型半導體開關器件的應用和脈衝調製技術的引進，它們將連續變化的電磁能量轉化為準離散型的、可控的電磁能量脈衝序列組閤，使得原來在電機學和電力係統暫態分析中采用的連續的大時間尺度電磁暫態過渡過程分析方法難以適用。它不僅帶來對脈衝型電磁瞬態過程分析方法的睏惑，更是帶來人們對電磁能量變換認識上的變更。從這個意義說，電力電子學科的發展是對整個電氣工程學科內涵的深化和外延的擴展。
電力電子係統由半導體開關器件、電子電路及控製等要素構成，盡管各要素特性不盡相同，但是從整個變換係統的角度來看，由於它們在係統中的有機結閤，從而形成瞭電力電子係統的有機統一。一般來說，電力電子係統具有硬件與軟件的統一性、能量與信息的互動性、綫性與非綫性的轉換性、離散與連續的混雜性以及多時間尺度的協調性等，正是這些獨有的綜閤特性體現齣瞭電力電子學科自身的學科屬性。與之相對應的電力電子技術則需要處理好在這些屬性條件下的電磁能量可控變換，涉及電磁能量變換瞬態過程及其平衡，需要處理好器件與裝置、控製與主電路、分布參數與集總參數等關係的問題。
電力電子變換理論和技術目前還處在一個基於功率半導體技術、電子電路技術以及控製技術的簡單閤成應用技術層麵，基本上還處於實驗科學的範疇，其自身理論體係還在持續發展過程之中。從係統集成、能量變換以及電磁瞬變的角度進行電力電子技術(特彆是針對大容量電力電子裝置與係統)的應用基礎理論研究應該是這種發展的主要方嚮。過去二十多年來，我們研究團隊先後在電機傳動控製、光伏並網發電、大容量多電平變換器研製，以及近年來的麵嚮能源互聯網的電能 電力電子係統電磁瞬態過程/現代電力係統叢書 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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