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新能源汽车功率电子基础

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标签: 新能源

新能源

汽车电子

汽车电子

本书以新能源汽车电驱动、DC/DC变换器和充电机为技术背景,从功率电子电路的基本概念、结构拓扑和工作原理角度出发,阐述车载电气设备的电能转换技术;利用计算示例和仿真案例,描述整流、直流转换和逆变控制的基本实现方法。本书内容涵盖新能源汽车技术的发展、功率半导体器件、DC/DC直流变换技术、DC/AC逆变技术、AC/DC整流技术和交流电机控制技术,涉及理想开关过程、PWM整流技术、隔离型DC/DC、SVPWM技术、矢量控制和直接转矩控制技术。本书适合作为普通高等院校车辆工程、新能源汽车等专业的教材,也可供相关研发人员参考。

目   录

前  言

第1章  绪论1

1.1  汽车电子技术发展历程1

1.2  纯电动汽车2

1.3  插电式混合动力电动汽车3

1.4  燃料电池电动汽车5

1.5  功率电子学在新能源汽车中的应用6

习题18

第2章  基本概念9

2.1 电路的波形及其参数9

2.1.1 参数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 谐波20

2.2 半导体基础23

2.2.1 N型半导体和P型半导体23

2.2.2 PN结25

2.2.3 二极管27

2.3 理想开关的开关过程30

2.3.1 理想开关30

2.3.2 电感负载的理想开关过程31

2.3.3 电容负载的理想开关过程32

2.4 续流和换流34

2.4.1 功率二极管的续流34

2.4.2 功率半导体器件的换流36

2.5 硬开关的开关过程37

2.5.1 硬开关38

2.5.2 硬开关的开通过程38

2.5.3 硬开关的关断过程39

2.6 软开关的开关过程40

2.6.1 软开关40

2.6.2 ZCS的开关过程41

2.6.3 ZVS的开关过程42

2.7 脉冲宽度调制(PWM)原理44

2.7.1 PWM信号的类型44

2.7.2 PWM信号的占空比45

2.7.3 PWM数字信号的发生45

2.7.4 直流PWM斩波46

2.7.5 正弦波PWM(SPWM)发生原理48

2.8 直流开关51

2.8.1 低边开关52

2.8.2 高边开关52

2.9 电路的状态平均53

2.9.1 状态平均53

2.9.2 状态平均欧姆定律53

2.9.3 状态平均电感和电容特性53

2.9.4 状态平均基尔霍夫定律54

2.10  热阻55

2.10.1 热阻计算55

2.10.2 功率半导体器件热阻的构成55

2.10.3 功率半导体器件结温计算56

习题256

第3章  功率半导体器件58

3.1 功率二极管58

3.1.1 功率二极管的结构58

3.1.2 功率二极管的动态特性58

3.1.3 功率二极管的模型60

3.1.4 功率二极管的主要参数61

3.2 双极结型功率晶体管61

3.2.1 功率晶体管的结构61

3.2.2 功率晶体管的基本工作原理62

3.2.3 功率晶体管的工作区62

3.2.4 功率晶体管的击穿与安全工作区63

3.3 晶闸管63

3.3.1 晶闸管的结构64

3.3.2 晶闸管的工作原理64

3.3.3 晶闸管的静态特性66

3.3.4 晶闸管的动态特性67

3.3.5 晶闸管的参数68

3.4 功率金属氧化物场效应晶体管(P?MOSFET)68

3.4.1 MOS电容的工作原理69

3.4.2 MOSFET的结构与类型69

3.4.3 MOSFET的压控原理70

3.4.4 MOSFET的输出特性70

3.4.5 MOSFET的沟道夹断和转移特性71

3.4.6 P?MOSFET的结构72

3.4.7 P?MOSFET的通态电阻72

3.4.8 P?MOSFET的寄生器件72

3.4.9 P?MOSFET的等效电路73

3.4.10 P?MOSFET的开关特性74

3.4.11 P?MOSFET的安全工作区75

3.4.12 P?MOSFET的主要参数75

3.5 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)76

3.5.1 IGBT的结构和类型76

3.5.2 IGBT的基本工作原理77

3.5.3 IGBT的输出特性78

3.5.4 IGBT的寄生器件78

3.5.5 IGBT的擎住效应79

3.5.6 IGBT的开关特性79

3.5.7 IGBT的安全工作区81

3.5.8 IGBT的主要技术指标82

3.6 宽禁带功率半导体器件83

3.6.1 宽禁带83

3.6.2 碳化硅器件84

3.6.3 氮化镓器件85

习题386

第4章  直流变换技术87

4.1 DC/DC降压变换器87

4.1.1 DC/DC降压变换器的电路结构87

4.1.2 DC/DC降压变换器的工作原理88

4.1.3 DC/DC降压变换器的工作模式89

4.1.4 CCM降压变换器的输出电压90

4.1.5 CCM降压变换器的电感纹波电流91

4.1.6 CCM降压变换器的电容纹波电压92

4.1.7 CCM与DCM的边界93

4.1.8 DCM电路的输出电压94

4.1.9 DC/DC降压变换器的计算示例与仿真分析95

4.2 DC/DC升压变换器102

4.2.1 DC/DC升压变换器的电路结构102

4.2.2 DC/DC升压变换器的工作原理103

4.2.3 CCM升压变换器的输出电压104

4.2.4 CCM升压变换器的电感纹波电流105

4.2.5 CCM升压变换器的电容纹波电压105

4.2.6 CCM和DCM的边界106

4.2.7 DCM电路的输出电压106

4.2.8 DC/DC升压变换器的计算示例107

4.3 DC/DC升降压变换器109

4.3.1 DC/DC升降压变换器的电路结构109

4.3.2 DC/DC升降压变换器的工作原理109

4.3.3 CCM升降压变换器的输出电压110

4.3.4 CCM和DCM的边界条件111

4.3.5 Cuk变换电路112

4.3.6 DC/DC升降压变换器的计算示例113

4.4 DC/DC组合电路116

4.4.1 半桥DC/DC电路116

4.4.2 H桥DC/DC电路116

4.4.3 DC/DC的多相多重电路117

4.5 DC/DC隔离变换器118

4.5.1 单端正激式变换器118

4.5.2 推挽式变换器119

4.5.3 单端反激式变换器120

4.5.4 半桥式变换器122

4.5.5 H桥式变换器124

4.6 同步整流127

4.6.1 整流电路128

4.6.2 同步整流128

4.7 新能源汽车直流功率变换器130

4.7.1 电驱动系统双向DC/DC变换器131

4.7.2 高低压DC/DC隔离变换器132

4.7.3 48V混合动力系统DC/DC变换器132

习题4133

第5章  逆变技术136

5.1 单相电压源逆变电路136

5.1.1 中心抽头变压器式单相电压源逆变电路136

5.1.2 半桥式单相电压源逆变电路137

5.1.3 H桥式单相电压源逆变器138

5.2 单相电压源逆变器的脉宽调制技术138

5.2.1 单极性SPWM技术138

5.2.2 双极性SPWM技术141

5.3 三相电压源逆变器144

5.3.1 三相电压源逆变器的电路工作原理144

5.3.2 三相SPWM技术145

5.3.3 三相空间电压矢量PWM技术146

习题5154

第6章  整流技术156

6.1 不可控整流电路156

6.1.1 单相桥式二极管整流电路156

6.1.2 三相桥式二极管整流电路159

6.2 直流滤波电路161

6.2.1 容性输入直流滤波器162

6.2.2 感性输入直流滤波器163

6.3 相控整流电路165

6.3.1 单相桥式晶闸管半控整流电路165

6.3.2 单相桥式晶闸管全控整流电路170

6.3.3 三相桥式晶闸管全控整流电路175

6.4 PWM整流电路182

6.4.1 PWM整流器的基本原理182

6.4.2 单相PWM整流的工作模态184

6.4.3 单相PWM整流的调制技术187

6.5 动力电池充电系统189

6.5.1 充电设施的类型189

6.5.2 充电方法189

6.5.3 接触式充电技术190

6.5.4 无线充电基本原理190

6.5.5  V2G技术191

习题6192

第7章  交流电驱动控制194

7.1 新能源汽车电驱动系统194

7.1.1 新能源汽车电驱动的技术要求194

7.1.2 电驱动装置电路195

7.1.3 交流电机的工作原理197

7.2 三相交流异步电机的控制原理201

7.2.1 稳态等效电路201

7.2.2 变频变压控制202

7.2.3 动态数学模型205

7.2.4 矢量控制基本方程209

7.2.5 间接矢量控制210

7.2.6 直接矢量控制213

7.2.7 直接转矩控制214

7.3 永磁同步电机的控制原理218

7.3.1 动态数学模型218

7.3.2 矢量控制219

7.3.3 电压电流极限及弱磁运行221

7.4 永磁无刷直流电机的控制原理224

7.5 电机的馈电控制227

习题7229

参考文献230

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