目  錄
前  言

第1章  緒論1
1.1  汽車電子技術發展歷程1
1.2  純電動汽車2
1.3  插電式混合動力電動汽車3
1.4  燃料電池電動汽車5
1.5  功率電子學在新能源汽車中的應用6
習題1 8
第2章  基本概念9
2.1電路的波形及其參數9
2.1.1參數10
2.1.2直流11
2.1.3正弦波12
2.1.4矩形波16
2.1.5三角波18
2.1.6諧波20
2.2半導體基礎23
2.2.1N型半導體和P型半導體23
2.2.2PN結25
2.2.3二極管27
2.3理想開關的開關過程30
2.3.1理想開關30
2.3.2電感負載的理想開關過程31
2.3.3電容負載的理想開關過程32
2.4續流和換流34
2.4.1功率二極管的續流34
2.4.2功率半導體器件的換流36
2.5硬開關的開關過程37
2.5.1硬開關38
2.5.2硬開關的開通過程38
2.5.3硬開關的關斷過程39
2.6軟開關的開關過程40
2.6.1軟開關40
2.6.2ZCS的開關過程41
2.6.3ZVS的開關過程42
2.7脈衝寬度調制（PWM）原理44
2.7.1PWM信號的類型44
2.7.2PWM信號的占空比45
2.7.3PWM數字信號的發生45
2.7.4直流PWM斬波46
2.7.5正弦波PWM（SPWM）發生原理48
2.8直流開關51
2.8.1低邊開關52
2.8.2高邊開關52
2.9電路的狀態平均53
2.9.1狀態平均53
2.9.2狀態平均歐姆定律53
2.9.3狀態平均電感和電容特性53
2.9.4狀態平均基爾霍夫定律54
2.10  熱阻55
2.10.1熱阻計算55
2.10.2功率半導體器件熱阻的構成55
2.10.3功率半導體器件結溫計算56
習題2 56
第3章  功率半導體器件58
3.1功率二極管58
3.1.1功率二極管的結構58
3.1.2功率二極管的動態特性58
3.1.3功率二極管的模型60
3.1.4功率二極管的主要參數61
3.2雙極結型功率晶體管61
3.2.1功率晶體管的結構61
3.2.2功率晶體管的基本工作原理62
3.2.3功率晶體管的工作區62
3.2.4功率晶體管的擊穿與安全工作區63
3.3晶閘管63
3.3.1晶閘管的結構64
3.3.2晶閘管的工作原理64
3.3.3晶閘管的靜態特性66
3.3.4晶閘管的動態特性67
3.3.5晶閘管的參數68
3.4功率金屬氧化物場效應晶體管（P?MOSFET）68
3.4.1MOS電容的工作原理69
3.4.2MOSFET的結構與類型69
3.4.3MOSFET的壓控原理70
3.4.4MOSFET的輸出特性70
3.4.5MOSFET的溝道夾斷和轉移特性71
3.4.6P?MOSFET的結構72
3.4.7P?MOSFET的通態電阻72
3.4.8P?MOSFET的寄生器件72
3.4.9P?MOSFET的等效電路73
3.4.10P?MOSFET的開關特性74
3.4.11P?MOSFET的安全工作區75
3.4.12P?MOSFET的主要參數75
3.5絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）76
3.5.1IGBT的結構和類型76
3.5.2IGBT的基本工作原理77
3.5.3IGBT的輸出特性78
3.5.4IGBT的寄生器件78
3.5.5IGBT的擎住效應79
3.5.6IGBT的開關特性79
3.5.7IGBT的安全工作區81
3.5.8IGBT的主要技術指標82
3.6寬禁帶功率半導體器件83
3.6.1寬禁帶83
3.6.2碳化硅器件84
3.6.3氮化鎵器件85
習題3 86
第4章  直流變換技術87
4.1DC/DC降壓變換器87
4.1.1DC/DC降壓變換器的電路結構87
4.1.2DC/DC降壓變換器的工作原理88
4.1.3DC/DC降壓變換器的工作模式89
4.1.4CCM降壓變換器的輸出電壓90
4.1.5CCM降壓變換器的電感紋波電流91
4.1.6CCM降壓變換器的電容紋波電壓92
4.1.7CCM與DCM的邊界93
4.1.8DCM電路的輸出電壓94
4.1.9DC/DC降壓變換器的計算示例與仿真分析95
4.2DC/DC升壓變換器102
4.2.1DC/DC升壓變換器的電路結構102
4.2.2DC/DC升壓變換器的工作原理103
4.2.3CCM升壓變換器的輸出電壓104
4.2.4CCM升壓變換器的電感紋波電流105
4.2.5CCM升壓變換器的電容紋波電壓105
4.2.6CCM和DCM的邊界106
4.2.7DCM電路的輸出電壓106
4.2.8DC/DC升壓變換器的計算示例107
4.3DC/DC升降壓變換器109
4.3.1DC/DC升降壓變換器的電路結構109
4.3.2DC/DC升降壓變換器的工作原理109
4.3.3CCM升降壓變換器的輸出電壓110
4.3.4CCM和DCM的邊界條件111
4.3.5Cuk變換電路112
4.3.6DC/DC升降壓變換器的計算示例113
4.4DC/DC組合電路116
4.4.1半橋DC/DC電路116
4.4.2H橋DC/DC電路116
4.4.3DC/DC的多相多重電路117
4.5DC/DC隔離變換器118
4.5.1單端正激式變換器118
4.5.2推挽式變換器119
4.5.3單端反激式變換器120
4.5.4半橋式變換器122
4.5.5H橋式變換器124
4.6同步整流127
4.6.1整流電路128
4.6.2同步整流128
4.7新能源汽車直流功率變換器130
4.7.1電驅動繫統雙向DC/DC變換器131
4.7.2高低壓DC/DC隔離變換器132
4.7.348V混合動力繫統DC/DC變換器132
習題4 133
第5章  逆變技術136
5.1單相電壓源逆變電路136
5.1.1中心抽頭變壓器式單相電壓源逆變電路136
5.1.2半橋式單相電壓源逆變電路137
5.1.3H橋式單相電壓源逆變器138
5.2單相電壓源逆變器的脈寬調制技術138
5.2.1單極性SPWM技術138
5.2.2雙極性SPWM技術141
5.3三相電壓源逆變器144
5.3.1三相電壓源逆變器的電路工作原理144
5.3.2三相SPWM技術145
5.3.3三相空間電壓矢量PWM技術146
習題5 154
第6章  整流技術156
6.1不可控整流電路156
6.1.1單相橋式二極管整流電路156
6.1.2三相橋式二極管整流電路159
6.2直流濾波電路161
6.2.1容性輸入直流濾波器162
6.2.2感性輸入直流濾波器163
6.3相控整流電路165
6.3.1單相橋式晶閘管半控整流電路165
6.3.2單相橋式晶閘管全控整流電路170
6.3.3三相橋式晶閘管全控整流電路175
6.4PWM整流電路182
6.4.1PWM整流器的基本原理182
6.4.2單相PWM整流的工作模態184
6.4.3單相PWM整流的調制技術187
6.5動力電池充電繫統189
6.5.1充電設施的類型189
6.5.2充電方法189
6.5.3接觸式充電技術190
6.5.4無線充電基本原理190
6.5.5  V2G技術191
習題6 192
第7章  交流電驅動控制194
7.1新能源汽車電驅動繫統194
7.1.1新能源汽車電驅動的技術要求194
7.1.2電驅動裝置電路195
7.1.3交流電機的工作原理197
7.2三相交流異步電機的控制原理201
7.2.1穩態等效電路201
7.2.2變頻變壓控制202
7.2.3動態數學模型205
7.2.4矢量控制基本方程209
7.2.5間接矢量控制210
7.2.6直接矢量控制213
7.2.7直接轉矩控制214
7.3永磁同步電機的控制原理218
7.3.1動態數學模型218
7.3.2矢量控制219
7.3.3電壓電流極限及弱磁運行221
7.4永磁無刷直流電機的控制原理224
7.5電機的饋電控制227
習題7 229
參考文獻230

前    言

  當前，汽車的能源供給體繫正處於轉變過程，傳統燃油汽車正向適應人類可持續發展的新能源汽車過渡。這一轉變的技術基礎是車載電氣化技術的迅猛發展。即使在傳統汽車上，比如LED車燈和電動助力轉向等已經得到普遍應用，電動水泵、電動空調和起停繫統等正在推廣應用中，汽車的低壓直流電源繫統也在趨向統一的DC48V電壓體制。區別於傳統汽車，新能源汽車能夠以純電動方式行駛。此功能的實現離不開車載驅動電機及其控制繫統，由車載動力蓄電池組供給高電壓直流電源。
    在一個與路面相對封閉而運動的汽車繫統中，無論是幾十瓦的車燈，還是上百千瓦的驅動電機及其控制器，這些電氣繫統的功率遠大於信息與控制的電子繫統。在各自不同的直流母線電壓作用下，車載電氣繫統的電流較大，從幾安培到幾百安培。相應地，車載電氣繫統的功率半導體器件承載大電流，快速通斷，繫統的發熱量、電磁干擾和電應力大幅增加，使車載電源繫統的載荷十分復雜，給汽車的安全性、可靠性和耐久性帶來了新的高度，形成了汽車設計、開發和制造技術的新課題。各個電氣繫統，比如電機及其控制器的逆變裝置、高低壓DC/DC變換器的直流轉換裝置、動力蓄電池組的車載充電裝置等，它們的電路拓撲及其控制方法對新能源汽車的動力性、經濟性和舒適性起到了關鍵的作用。
    本書以新能源汽車的動力繫統結構為切入點，指出功率電子電路的逆變（DC/AC）、直流?直流變換（DC/DC）、整流（AC/DC）三大技術與新能源汽車節能減排的密切關繫，集中梳理功率電子學的一些基本概念，介紹包括寬禁帶器件在內的功率電子半導體器件的應用特性，闡述以化學電池為直流電源的DC/DC、DC/AC和AC/DC電路的組成、結構、原理，以及車載應用。本書的分章節內容如下：
    第1章  介紹汽車電子化和電氣化的發展進程，描述新能源汽車的動力繫統結構，闡述功率電子學的作用和地位，及其研究內容。
    第2章  基本概念。闡述功率電路的常用波形、半導體基礎、開關過程、續流、換流、硬開關、軟開關、脈寬調制、直流開關、電路的平均狀態和熱阻抗，將功率電子學的常用概念和基本方法集中介紹，提高學習的通順性。
    第3章  器件的工作原理。闡述功率半導體器件的基本原理、工作特性和應用技術，器件包括功率二極管、雙極結型功率晶體管、晶閘管、功率金屬氧化物場效應晶體管、絕緣柵雙極型晶體管和寬禁帶器件。
    第4章  直流變換技術。闡述DC/DC降壓、升壓和升降壓電路，它們是新能源汽車中兩個高電壓母線之間的電能轉換的技術基礎。同時詳細描述了隔離DC/DC和同步整流技術的電路原理。並且，以舉例或結構圖方式指明DC/DC變換器在新能源汽車中的車載應用。
    第5章  逆變技術。闡述了單相和三相電壓源逆變器的電路工作原理，以及SVPWM產生方法，它是目前流行的交流電機控制器技術的電路及控制基礎。
    第6章  整流技術。闡述不控整流電路、直流濾波電路、相控整流電路和PWM整流電路，並且簡要敘述了車載動力蓄電池組的充電設施和方法。
    第7章  針對新能源汽車的純電驅動功能，介紹了純電驅動交流電動機控制繫統結構，總結了純電動汽車對驅動電機及其控制器的機械特性要求，敘述了交流電動機的工作原理和數學模型，闡述了交流電動機的矢量控制方法和直接轉矩控制方法。並且，通過仿真模型及其結果說明交流電動機的變頻變壓控制和矢量控制繫統。
    現有的電力電子學或電力電子技術書籍較多，涉及範圍廣泛，但對汽車的直流電源繫統和電驅動繫統幾乎沒有闡述。電力繫統習慣指工業電網的電子電氣繫統，以區別於“電力電子”，本書將闡述與汽車技術相關的“電力電子”，研究車載電源之間電能變換的功率半導體器件、電路拓撲、控制理論與方法。
    本書面向從事新能源汽車（特別是電動汽車）技術學習的學生和工程技術人員，著重描述了功率電子學在新能源汽車電源繫統中的應用，尤其是電動汽車的驅動電機及其控制器、DC/DC變換器和車載充電機技術的功能組成、電路拓撲和工作原理；力圖用圖、表和仿真模型幫助讀者理解功率電子學的基本概念、電路拓撲及其工作原理，采用PSIM軟件仿真功率電子電路波形；集中闡述功率電子學發展中形成的一些基本概念，這些概念往往包含了專業詞彙，希望能夠幫助初學者進一步理解專業文獻。
    在本書完稿之際，對書末所附參考文獻的作者等致以衷心的感謝！書中的引用不周之處，懇請同行學者海涵，幫助作者提出改正意見。由於作者學識有限，書中難免有疏漏和錯誤，殷切希望研讀本書的讀者批評指正和諒解。
        程夕明張承寧2017年11月30日於北京理工大學