高频功率开关变换技术

　　内容简介目录本书着重论述高频功率开关变换技术的基本原理和分析方法，如开关变换器的基本电路拓扑、等效和对偶，吸收电路和软开关技术，高频磁性元件的原理及应用；介绍高频开关变换技术的最新发展，如同步整流、电压调整器模块、磁.后置式调节技术、有源功率因数校正和集成电力电子技术等；分析高频开关变换系统的控制方式、瞬态建模分析方法和系统综合设计方法；还涉及开关电源的电磁兼容性问题。作者力图在本书内反映高频功率开关变换技术的最新发展，同时又兼顾高层次科研开发常用的开关变换器及其系统的分析设计方法。本书可作为电力电子领域的研发和工程技术人员的参考用书，也可作为大学自动化；电机与电器、电力电子与电力传动等专业的教师和研究生的参考书。电能是当今最重要的能源形式。很难想像失去电能支撑的文明世界如何运行。在所有的动力资源中，电能使用最方便，适用范围非常广，并且是清洁的。电能变换则是用电之门，是用好电的必由之路。供人类使用的电能都是通过一些方法生产或收集得来的。世界上绝大部分的电能来自发电站，例如水电站、火力发电厂和核电站，发电站是交流电网的源头。燃油发电机是防备电网故障或远离电网的应急和补充。风力发电、潮汐发电等是自然能与电能之间的有效转换。太阳电池是太空最理想的发电装置。燃料电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸蓄电池等是经过电化学反应而产生电能的固定或移动式电能载体。形形色色的干电池是一次性的微小电能载体。所有称得上"电池的都是直流电的储蓄体。直接从电网或电池汲取的原生态的电能（姑且称之为原电）在某种意义上都是"粗电。在大多数情况下，使用这些"粗电都不能尽如人意，譬如电网上的电就不一定好使。电网是共用的，宏观上有高峰期和低谷期之分，电网在高峰期和低谷期的电压存在差异；由于不同用户从电网支取电能的时机和电量的不确定性和偶然性，特别是大型设备的起动和停止，足以给邻近电网造成随机的瞬时冲击和定式落差；、由于雷电、风暴、炎热等自然因素造成电网扰动甚至供电瞬时中断等，都将给敏感用户带来麻烦：设备运转失常、系统效率降低、计算机数据丢失、逻辑功能混乱，严重时还将造成系统硬件损坏，使系统工作陷于瘫痪。为此需要稳压器和UPS对电网下载的粗电进行整合和修补。由于电池自身具有的电容性，电压瞬时波动可能比电网要小。不过电池在工作中也问题不少，最常见的是电池电量随工作时间的延长或用电量的加大会逐渐衰竭；另外，电池单体的电压较低，很少以其自然形态直接拿来使用，多数是串联或串并联组合，但很难保证串联或串并联组合中的每个单体的特性一致。为此，必须实施合理的充电、放电和监控。太阳电池用来将阳光转换成电能，但阳光的照射会因向背、阴晴、昼夜、四季而不均衡，为此，需要对转换的电能进行收集储存，再经DC-IX；或DC-AC变换，获得稳定的直流电和交流电；风力等自然能发电同样受自然因素牵制，借助风力等自然力传动的发电机输出的电力经常处于不稳定状态，也必须实行调整控制。不管是电网、电池还是相对独立的供电系统，都存在电磁环境问题。即在运行中因环境电磁干扰（如雷电、汽车点火引发），或共享电源母线的"惹事负载设备的电磁干扰，或DC-DC、DC-AC变换装置自身的电磁干扰，都能搅得"四邻不安。今天的电网面临的承载非常严酷。由于功率半导体开关器件的长足进步、控制技术日益先进，变流设备的功率等级提升极快；又由于采用变流举措的负载设备日益增多，其复杂的负载性质带来的负面影响突出。基于这些因素的电网存在功率因数低下、波形畸变、浪涌、相位丢失等不良境况。因此，电能质量控制刻不容缓，电力补偿、有源滤波、柔性输配电等电能变换技术在电网和用户之间能起到较佳的缓冲匹配作用。能源问题在本世纪仍占据瞩目位置，人们追求在节约电能方面有卓越贡献的高效能供电没备和用电方法。在现实中，相当一部分电能消费是以驱动电动机的形式进行的，如机床、电动工具、电动汽车、城市轻轨、传动系统、机器人、风机、水泵、纺机、空调等等。直接用粗放的原电驱动，免不了要引入串联阻抗或并联阻抗，以控制和调节，电动机的运行状态，而这些不得已介入的阻抗会白白消耗电能。为了将这些浪费掉的非常可观的电能拣回来，利用现代电能变换技术对电动机实行变频调速控制，具有很好的节电潜力。照明用电据称占全球总体用电的20％，节电潜力巨大，起源于欧美的绿色照明浪潮大有席卷全球之势。绿色照明的主-题词：最小耗电产生最大流明。除了新型电光源和新型发光介质外，以全新的电能变换技术装备的电子镇流器将是实现绿色照明的主要角色。生产力越发展，技术越进步，环境问题越加突出。电能的生产、变换、使用在很大程度上影响到环境。电能的生产一般伴随二氧化碳、二氧化硫气体排放，前者是地球温室效应的参与者，后者是酸雨的成因，两者对环境危害都很大。少一点电能生产却能换得环境少一点恶化。生产发展必然要增加电力的需求，关键在于节约电力，减少电力的浪费。这要求我们的电源装置、电能变换系统提高效率。另外，干净的电磁环境也要求电能变换设备在电磁兼容性方面达标。节约电能、电磁兼容、无环境污染的绿色供电势在必行。21世纪将是科学技术突飞猛进的时代，技术进步定会牵动电能变换技术需求急速膨胀。"电能变换技术丛书在这一时刻呈献给读者，意在诠释电能变换技术的最新应用。但是电能变换技术是实用性极强的技术，服务于各种领域，内容异常丰富，丛书限于规模实难尽述。不过，我们仍然企望借助几个具有典型意义的层面，如高频功率变换、变频传动、电能质量控制等在学术、产业都呈热点的几个方面展示多彩的电能变换技术应用。丛书主要供中等技术水平的科技人员阅读，在概念和应用实例方面照顾到其他层面的科技人员。丛书的读者定位为电源技术、运动控制、电力电子、电子技术、信息技术、能源转换、过程控制等应用领域的工程技术人员，以及科技爱好者们。读者如能从"电能变换技术丛书中得到启示，并能在自己的工作实践中获得应用，编者将足以自慰。本丛书从立意到选题到写作内容，定有不足之处，欢迎读者批评斧正。前言信息技术的迅速发展，极大地推动着高频功率开关变换技术的研究和应用。近年来，国内外电力电子技术界在高频开关功率变换器的拓扑、控制、电力半导体器件和磁性元件、建模和系统设计以及电力电子系统集成等方面，做了大量卓有成效的研究工作。本书作者在阅读分析国内外大量科技论文资料、总结作者多年的教学经验和科研成果的基础上编写了本书。其中的部分内容也是在蔡宣三教授讲学讲演稿和系列讲座的基础上充实修订完成的，部分新内容首次在国内参考书中系统地论述。本书力图反映高频开关变换技术的最新发展，同时又兼顾高层次科研开发常用的高频开关变换技术及其系统分析设计方法。书中着重介绍开关变换技术的基本原理和研究方法，如开关变换器的基本电路、等效和对偶，吸收电路和软开关技术，高频磁性元件原理和应用；论述高频开关变换技术最新发展和新的分析方法，如同步整流、电压调整器模块、磁后置式调节技术、有源功率因数校正和集成电力电子技术等；分析开关变换系统的控制方式、瞬态建模分析方法和系统综合设计方法；鉴于开关电源中EMI问题日益受到人们重视，我们特别邀请清华大学电机工程系姜建国教授撰写开关电源中的电磁干扰问题一章，供读者参考；全书共分14章： 第l章简要回顾20世纪高频开关变换技术的进展历程和取得的成就；探讨高频开关变换技术的未来发展趋势，如新器件、新拓扑和新系统的研究。高功率密度、高效率、高性能、高可靠性、低噪声、低价格以及小型化等，仍然是今后高频开关变换技术的发展方向。第2章介绍DC；DCPWM变换器的基本电路拓扑和分析方法、连续和断续工作模式、开关变换器电路的等效和对偶分析、DCDC变换器的三端PWM：开关模型等。第3章介绍吸收电路的作用、类型和几种常用吸收电路的组成及基本工作原理。 以Buck变换器为例，重点讨论最基本、最简单的关断和开通两类无源吸收电路的原理，并介绍有极性组合吸收电路和LC无损吸收电路工作原理。第4章讨论软开关技术及其应用。高频化可降低功率变换器的尺寸和重量，但也增大了开关损耗。高频软开关技术，可使开通／关断过程中电压和电流波形不交叠，从而减少了关损耗和开关浪涌，提高了效率。本章介绍了软开关脉宽调制变换器的工作原理和特点，包括ZSPWM、ZTPWM变换器，移相控制全桥ZVSPWM，混合ZCZVSPWM变换器等；并分析了广义软开关技术的特点和意义。第7章介绍有源功率因数校正（APFC）技术，包括非线性电路功率因数的基本概念，连续、断续和临界连续Boost：PFC变换器的工作原理，PFC。变换器的电流控制方法，几种单级单开关PFC变换器拓扑及其工作原理，三相APFC技术，简要介绍了典型PFC集成控制器（UC3854、UC3855和L6561）的基本原理和应用。第8章介绍低压大电流输出电压调整器模块（VRM）的性能要求，单通道和多通道VRM、高压（48V）输入VRM拓扑，讨论了元件和线路的寄生参数对VRM瞬态特性的影响， 第9章介绍高频开关变换器中的磁性元件特性、原理及应用，高频磁性材料和参数，着重分析了几种电感、变压器的特点，设计原则和建模分析，介绍了磁性元件集成的概念和基本方法。举例，分析了磁放大器式后置电压调节器、压电式变压器的原理和应用等。第10章介绍DCDC变换器并联系统均流技术的意义，分析了下垂法、主从均流法、自动均流法和民主均流法的控制原理，简要介绍了UC3907均流控制芯片。第11章研究功率开关变换器瞬态分析的建模方法，结合实例着重介绍状态空间平均法和平均电路法。第12章研究开关调节器的系统频域分析方法，建立和分析功率开关变换器闭环系统的频域特性及校正方法，还介绍了基于功率守恒法建立电流型控制的开关变换器系统模型的方法。第13章介绍电力电子集成技术的意义和最新进展，电力电子模块化、集成化的发展进程，无源集成模块的发展，步芯片功率模块（MCM）及其应用，无引线键合的多层三维封装平面金属化集成电力电子模块和典型集成电力电子系统（集成变频传动系统，微处理器VRM集成系统，集成分布电源系统）。第14章结合几个具体电路，从电磁干扰源、干扰耦合通道等方面，介绍如何分析和研究开关电源的电磁干扰以及抑制电磁干扰的途径。本书承南京航空航天大学赵修科教授审阅，提出了宝贵意见，在此表示衷心感谢。同时感谢王玫责任编辑的大力协助。文中不妥之处，敬请广大读者批评指正。 目录第1章电力电子技术的发展和展望1.1电力电子技术40年进展的标志1.1.电力半导体器件1.1.2高频化和软开关技术1.1.3电力电子集成技术1.2分布式电源结构1.2.1分布式电源系统的结构1.2.2 PFC变换器1.2.3电压调节器模块1.2.4全数字化控制1.2.5高频电力电子电路的电磁兼容性1.2.6电力电子的设计和测试技术1.3高频磁性元件和磁技术1.3.1集成磁性元件1.3.2平面变压器1.3.3饱和电感1.3.4磁放大器后置电压调节器1.3.5高频磁技术第2章DCDCPWM变换器的电路拓扑2.1DCDCPWM变换器的组成和基本原理2.1.1DCDCPWM变换器的工作原理2.1.2降压、升压和升降压变换器2.1.3DCDC变换器的工作模式2.1.4BuckPWM变换器的工作2.1.5DCDC变换器的特点2.2DCDCPWM变换器的基本电路2.2.1Cuk变换器2.2.2SEPIC变换器2.2.3六种DCDC开关变换器基本拓扑2.3开关变换器的等效电路2.4开关变换器的对偶2.4.1电路的对偶2.4.2DCDC开关变换器中几个重要的对偶关系2.4.3功率半导体开关器件的对偶2.4.4DCDCPWM变换器的对偶2.5隔离式DCDCPWM变换器2.5.1单端隔离式DCDC变换器2.5.2正激变换器2.5.3双管正激变换器2.5.4反激变换器2.5.5双端隔离式DCDC变换器2.5.6DCDC推挽变换器2.5.7DCDC半桥变换器2.5.8DCDC全桥PWM变换器2.5.9隔离式DCDCPWM变换器比较第3章开关电源的吸收电路3.1吸收电路的作用3.2吸收电路的类型3.2关断吸收电路3.3.1并联电容3.3.2有极性关断吸收电路RCD网络3.4开通吸收电路..3.4.1开通和关断吸收电路的对偶关系3.4.2串联电感3.4.3有极性开通吸收电路RLD网络3.5组合吸收电路.3.5.1组合方案I（并联RCD、串联Lw）3.5.2组合吸收电路方案Ⅱ（串联RLD、并联Cw）3.6 LCD吸收电路第4章高频软开关变换器4.1谐振变换器4.1.1串联谐振和并联谐振变换器4.1.2串并联谐振变换器，4.1.3ZCS／ZVS准谐振变换器4.1.4多谐振变换器4.2有源钳位软开关变换技术.4.2.1有源钳位正激变换器4.2.2有源钳位ZVSPWM：正激变换器稳态运行分析4.2.3有源钳位反激变换器4.2.4有源钳位反激正激变换器4.3ZSPWM变换器4.3.L ZCS.PWM变换器4，3，2ZVSPWM变换器4.4ZT厂PWM变换器4.4.1ZCTPWM变换器4.4.2三种零电流开关4.4.3ZVTPWM变换器4.4.4零电压开关.4.5移相控制全桥ZVSPWM变换器4.5.1工作原理4.5.2PSFBZVSPWM变换器几个问题的分析4.6PSFB混合ZCZVSPWM变换器4.7广义软开关PWM变换器第5章同步整流技术5.1肖特基整流管的损耗分析5.2同步整流的工作原理和特性5.2.1同步整流的基本工作原理5.2.2同步整流管的主要参数5.3同步整流的驱动方式5.3.1SR。的控制时序5.3.2电压型自驱动方式5.3.3控制驱动方式5.3.4电流型自驱动方式5.3.5混合驱动方式5.4SRBuck变换器5.5SR正激变换器5.5.1有磁复位绕组的SR正激变换器5.5.2SR有源钳位正激变换器5.6SR反激变换器第6章开关型功率变换器的控制6.1电压型控制，6.2电流型控制6.2.1峰值电流控制6.2.2平均电流型控制6.2.3滞环电流型控制6.3电荷控制6.4单周控制6.5前馈控制.6.6数字控制（离散控制）6.6.1数字控制的特点6.6.2离散PD算法6.6.3改进的离散PID算法6.7控制、驱动回路中的隔离方法第7章有源功率因数校正技术7.1功率因数和功率因数校正7.1.1非线性电路的功率因数和THD 7.1.2ACDC电路输入电流及PF7.1.3提高ACIX；电路输入端功率因数的主要方法7.2单相BoostPFC变换器7.2.1DCMBoostPFC变换器7.2.2CCM-BoostPFC变换器7.2.3CRMBoostPFC变换器7.2.4BoostPFC电路的主要优缺点7.3APFC的控制方法7.3.1常用的三种控制方法7.3.2平均电流控制法7.3.3峰值电流控制法7.3.4电流滞环控制法7.3.5APFC集成控制电路.7.4单相反激PFC变换器.7.4.1CCM反激PFC变换器7.4.2DCM反激PFC变换器7.4.3反激PFC变换器7.5单级单开关PFC变换器7.5.1集成PFC整流器调节器7.5.2BIFRED变换器7.5.3BIBRED变换器7.5.4集成PFC整流器，调节器的优缺点7.5.5变频控制7.5.6S4PFC正激变换器7.6三相PFC变换器7.6.1三个单相BoostPFC变换器组成三相PFC整流器7.6.2三相单开关DCMBoost整流器7.6.3三相CCMBoost整流器7.6.4三相CCMBuck整流器7.6.5三相三电平BoostPFC变换器7.6.6空间矢量控制第8章电压调整器模块8.1VRM的性能要求.8.2低输入电压的VRM8.2.1SRBuck变换器8.2.2多通道SRBuck变换器8.2.3多通道SRBuck变换器的设计考虑40，4228.3高电压输入的VRM8.4元件和线路的寄生参数对VRM瞬态特性的影响 8.4.1电容ESR和ESL的影响8.乙2改善VRM输出瞬态响应的办法8.4.3微处理器与VRM接口的仿真模型第9章高频开关变换器中的磁性元件9.1高频磁心的特性和参数9.1.1磁滞回线9.1.2动态磁滞回线的测试9.1.3基本磁化曲线9.1.4不对称局部磁滞回线9.1.5伏秒积分9.1.6磁导率9.1.7磁心损耗9.2磁性材料和磁心结构9.2.1开关电源常用的磁性材料9.2.2磁心结构形式9.3电感9，3.1电感的基本公式9.3.2磁心气隙9.3.3电感元件储能9.3.4高频电感元件的等效电路模型9.3.5直流滤波电感分析9.3.6自饱和电感9.3.7可控饱和电感9.4变压器9.4.1励磁电感与漏电感9.4.2高频变压器模型9.4.3变压器的磁分析9.4.4平面变压器9.4.5空心PCB变压器9.4.6集成高频磁性元件9.4.7压电变压器9.5直流脉冲电流互感器9.5.I工作原理9.5.2电流互感器设计方法9.6高频磁放大器式输出电压调节器第10章DCDC变换器并联系统的均流技术10.1开关变换器的并联10.2下垂法10.3主从均流法.10.4自动均流法10.5热应力自动均流法.10.6民主均流法10.6.1民主均流法的原理10.6.2UC3907均流控制器芯片第11章开关功率变换器的瞬态建模分析11.1瞬态分析11.1.1瞬态分析的目的11.1.2瞬态模型11.1.3稳态分析11.1.4PWM开关变换器瞬态建模方法11.2状态空间平均法11.2.1基本概念11.2.2基本假设条件11.2.3分析方法和步骤11.2.4Boost变换器状态空间平均模型11.3PWM变换器频域模型11.3.1PWM变换器小信号等效电路规范形模型11.3.2Cuk变换器小信号等效电路规范形模型11.3.3PWM变换器小信号等效电路规范形模型参数11.3.4PWM变换器的传递函数11.3.SBuckBoost变换器的传递函数11.3.6Buck族和Boost族PWM变换器11.4平均电路法11.4.1平均变量和平均电路11.4.2平均开关函数11.4.3开关网络的平均模型11.4.4三端PWM开关模型法11.4.5考虑寄生参数的PWM变换器平均电路模型第12章开关调节器系统的频域分析与综合12.1时域分析12.1.1时域数学模型12.1.2系统的时域响应12.1.3自动调节系统的时域性能指标12.1.4时域法综合系统的步骤12.2频域模型分析12.2.1传递函数12.2.2频率响应12.2.3对数频率特性12.2.4拉普拉斯变换简表12.3开关电源系统的频域模型及分析12.3.1方块图12.3.2系统的稳定性和稳12.3.3频域性能指标12.3.4极点和零点12.4系统频率响应与瞬态响应的关系12.4.1频率尺度与时间尺度成反比12.4.2频段的特征与时域响应关系12.43.频率特性与系统稳定性的关系12.4.4阻尼比（对系统瞬态响应的影响12.5电压型控制的开关电源的频域模型12.5.1开关变换器的控制输出传递函数12.5.2电压检测、控制器和PWM的传递函数G12.5.3音频纹波衰减率12.5.4开关电源的抗负载扰动能力12.6电压控制器12.6.1电压控制器的传递函数12.6.2控制器的作用12.6.3对补偿后的电源系统的频率特性要求12.6.4控制器（补偿网络）的类型12.6.5带积分环节的控制器12.6.6开关电源中控制器特性分析举例12.6.7增设单极点、单零点的PI补偿网络12.6 增设双极点、双零点的PI补偿网络12.7开关电源系统频域设计（综合）12.7.1开关电源系统频域综合的般步骤12.7.2补偿网络的设计12.8双环控制开关电源系统的瞬态建模分析12.8.1电流型控制的开关电源系统12.8.2Tellegen定理12.8.3功率守恒建模方法12.8.4电流控制的开关电源系统的一般设计步骤12.8.5UPFBoostPWM变换器瞬态建模分析12.9非最小相位系统12.9.1最小相位系统与非最小相位系统比较。12.9.2非最小相位系统的物理特征12.9.3非最小相位系统的控制器设计第13章电力电子集成技术和集成电力电子模块13.1集成电力电子模块技术的提出13.1.1电力电子技术的进展13.1.2阻碍电力电子技术发展的因素13.1.3集成电力电子技术的发展概况13.2电力电子器件模块化和集成化的进展13.2.1分立器件13.2.2功率器件模块13.2.3单片集成13.2.4智能功率模块.13.3集成电力电子模块封装技术13.3.1 MCM封装技术13.3.2平面金属化封装技术13.4无源集成模块13.4.1LL集成..13.4.2 LT集成.13.4.3LCT集成13.4.4平面变压器13.5电力电子积木块结构13.6集成电力电子系统.，13.6.1集成变频传动系统13.6.2集成ⅦM微处理器系统13.6.3集成分布电源系统13.7电力电子系统集成的问题14章开关电源中的电磁干扰问题14.1开关电源中的电磁干扰源14.1.1主电路与控制电路产生的du／dt、di／dc的比较14.1.2二极管反向恢复电流14.1.3dv／dt与负载电流大小的关系14.1.4跳变过冲对频谱的影响14.2开关电源的电磁噪声的耦合通道特性14.2.1杂散参数影响耦合通道的特性14.2.2耦合通道的系统函数14.3开关电源运行中的电磁干扰及其抑制参考文献

　　邢岩，女，1964年10月出生。山东人。分别于1985年和1988年在清华大学获得工学学士和硕士学位；2000年在南京航空航天大学获得工学博士学位，2001年、2002年在清华大学电机系博士后流动站工作。现任南京航空航天大学教授、博士生导师。主要从事电力电子变换技术和航空航天电源系统等领域的教学研究工作。曾主持或参加国家自然科学基金、航空科学基金和江苏省科学基金等研究项目，在中国电机工程学报等刊物和IEEE PESC等国际会议发表研究论文数十篇，曾获国家教委科技进步二等奖和江苏省科技进步三等奖。 蔡宣三，男，上海市人，清华大学教授，IEEE FELLOW，IEEE电力电子学会北京分会前任主席，编著出版高频功率电子学、饱和电抗器原理与设计、动态电路分析、最优化与最优控制，开关电源原理与设计（合作编写）等参考书。曾主持并完成国家自然科学基金项目“我国电力电子发展战略调查研究报告”（1999）及其他三项NSF专题研究项目。