电力电子学与能源变换系统：概论与硬开关变换器

第1章 概论

1.1 能源变换电子电路的应用领域

1.1.1 信息和电信产业的应用

1.1.2 可再生能源变换的应用

1.1.3 未来的能源变换——燃料电池

1.1.4 电动车辆

1.1.5 电子显示装置的应用

1.1.6 音频放大器

1.1.7 便携式电子设备

1.1.8 高电压物理实验和粒子加速器的应用

1.1.9 照明技术

1.1.10 AC-AC变频器

1.1.11 电力系统调节

1.1.12 制造业的能源回收

1.1.13 航空航天的应用

1.1.14 国防应用

1.1.15 传动和大功率工业的应用

1.1.16 电力电子电路的分类

1.2 电力电子电路工作的基本原理

1.3 功率电路的基本组成： 功率半导体开关和无源电抗元件

1.3.1 不可控开关——功率二极管

1.3.2 半可控开关（晶闸管）

1．3．3 可控开关

1.3.4 氮化镓（GaN）开关技术

1.3.5 功率开关的能耗

1.3.6 无源电抗元件

1.3.7 超级电容器

1.4 占空比控制的恒定开关频率变换器的基本稳态分析

1.4.1 基本DC-DC变换器的输入/输出电压比

1.4.2 连续和断续导通工作模式

1.4.3 基本变换器的元件设计

1.4.4 占空比控制（PWM）的控制器

1.4.5 变换效率， 硬开关和软开关

1.5 开关电容（SC）变换器简介

1.6 频率控制的变换器

1.6.1 谐振变换器

1.6.2 准谐振变换器（QRC）

1.7 AC-DC整流器和DC-AC逆变器概述

1.7.1 整流器

1.7.2 逆变器

1.8 范例分析

1.8.1 范例1

1.8.2 范例2

1.8.3 范例3

1.9 本章小结

习题

参考文献

第2章 DC-DC变换器建模

2.1 功率级建模的目的

2.2 平均状态空间方程和低纹波近似（时间线性化）

2.3 针对CCM工作的变换器， 基于平均状态空间方程的直流电压增益和

交流小信号开环传递函数

2.3.1 直流电压增益和交流开环干线负载电压的传递函数

2.3.2 小信号近似的占空比输出电压的交流传递函数

2.3.3 CCM工作的Boost、 Buck以及Buck-Boost变换器的直流增益和交流小信号开环

传递函数

2.3.4* CCM工作的Boost、 Buck以及Buck-Boost变换器的图解平均模型

2.3.5* CCM工作的DC-DC变换器正则图解的平均模型

2.4 针对DCM工作的变换器， 基于平均状态空间方程的直流电压增益和

交流小信号开环传递函数

2.4.1 降阶的平均模型

2.4.2* 全阶平均模型

2.5* 平均PWM开关模型

2.5.1 连续导通模式（CCM）工作的变换器的平均PWM开关模型

2.5.2 断续导通模式（DCM）工作的变换器的平均PWM开关模型

2.6 开关电阻和二极管正向电压的平均模型， PWM平均模型

2.6.1 开关直流电阻和二极管正向电压的平均模型

2.6.2 PWM平均模型

2.7* 准谐振变换器的直流和小信号分析用平均谐振开关模型

2.7.1 零电流（ZC）谐振开关的平均模型

2.7.2 零电压（ZV）谐振开关的平均模型

2.7.3 ZCS准谐振变换器的直流分析和开环小信号传递函数

2.7.4 ZVS准谐振变换器的直流分析和开环小信号传递函数

2.8 电力电子电路仿真和计算机辅助设计

2.9 范例分析

2.10 本章小结

习题

参考文献

第3章 传统DC-DC PWM硬开关变换

3.1 Buck DC-DC PWM硬开关变换器

3.1.1 电感器直流阻抗的影响

3.1.2 边界控制

3.1.3 考虑电感电流纹波以及电容ESR时， CCM工作的Buck变换器的损耗计算

3.1.4 CCM工作的Buck变换器设计

3.1.5 带输入滤波器的Buck变换器

3.1.6 DCM工作的Buck变换器的稳态分析综述

3.1.7 DCM工作的Buck变换器设计

3.1.8* Buck变换器动态响应的特点

3.2 Boost DC-DC PWM硬开关变换器

3.2.1 稳态CCM工作的Boost变换器

3.2.2 稳态DCM工作的Boost变换器

3.2.3* Boost变换器动态响应的特点

3.3 Buck-Boost DC-DC PWM硬开关变换器

3.3.1 稳态CCM工作的Buck-Boost变换器

3.3.2 稳态DCM工作的Buck-Boost变换器

3.3.3* Buck-Boost变换器动态响应的特点

3.4 uk升降压型(Boost-Buck)DC-DC PWM硬开关变换器

3.4.1 uk变换器的推导和开关工作

3.4.2 CCM工作的uk变换器的稳态分析及设计

3.4.3* 存在寄生电阻的uk变换器直流电压增益和交流小信号特性

3.4.4 设计实例和市售uk变换器

3.4.5* uk变换器的DCM工作

3.4.6* 带耦合电感的uk变换器

3.5 SEPIC PWM硬开关变换器

3.5.1 CCM工作的SEPIC变换器

3.5.2 CCM工作的SEPIC变换器的稳态分析

3.5.3* CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析

3.5.4 市售SEPIC变换器： 实例研究

3.5.5* DCM工作的SEPIC变换器

3.5.6* DICM工作的SEPIC变换器的交流分析

3.5.7* 隔离型SEPIC变换器

3.6 Zeta(反向SEPIC)PWM硬开关变换器

3.6.1 CCM工作的Zeta变换器

3.6.2 CCM工作的Zeta变换器的稳态分析

3.6.3* CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析

3.6.4 设计案例和范例分析

3.6.5* DCM工作的Zeta变换器

3.6.6* 隔离型Zeta变换器

3.7 正激变换器（正向变换器）

3.7.1 DC-DC变换器结构中高频变压器的作用

3.7.2 正激变换器的推导

3.7.3 CCM工作的正激变换器

3.7.4 DCM工作的正激变换器和CCM与DCM的设计考虑

3.7.5* 多路输出正激变换器

3.7.6* 其他的磁芯复位策略

3.7.7 实用设计案例： 范例分析

3.8* 隔离型uk变换器

3.9 反激变换器

3.9.1 反激变换器推导

3.9.2 反激变换器的CCM和DCM工作

3.9.3 耦合电感器漏感的影响

3.9.4* 反激变换器的小信号模型

3.9.5 反激变换器的设计： 范例分析——实际考虑

3.10 推挽变换器

3.10.1 降压型的推挽变换器（电压驱动）

3.10.2 CCM下的推挽变换器

3.10.3 推挽变换器中的非理想因素

3.10.4 DCM工作

3.10.5* 升压型的推挽变换器（电流驱动）

3.10.6 设计实例

3．11 半桥变换器

3.11.1 Buck半桥变换器拓扑

3.11.2 CCM工作

3.11.3 输入到输出电压变换比和CCM工作的半桥变换器设计

3.11.4 实际问题

3.11.5 DCM工作

3.11.6* 电流驱动半桥变换器

3.12 全桥变换器

3.12.1 全桥拓扑

3.12.2 Buck全桥变换器的CCM工作

3.12.3 输入/输出电压变换比和CCM工作的Buck全桥变换器的设计

3.12.4 实际问题

3.12.5* 其他晶体管控制方式： 移相控制

3.12.6* 电流驱动型全桥变换器

3.13 本章小结

习题

参考文献

第4章 DC-DC变换器的衍生结构

4.1 推挽、 半桥和全桥变换器的倍流整流器（Current Doubler Rectifier, CDR)

4.1.1 倍流整流器的周期运行

4.1.2 具有倍流整流器（CDR)的变换器的电压变换比

4.1.3 电流纹波率

4.1.4* 其他结构的倍流整流器(CDR)

4.1.5 倍流整流器的缺点

4.1.6* 三倍流或多倍流整流器

4.2 倍压和多倍压整流器

4.2.1 全波桥式倍压整流器

4.2.2 Greinacher倍压整流器

4.2.3 三倍压器及常规的Cockcroft-Walton多倍压器

4.2.4* 单电容倍压器

4.2.5 斐波那契开关电容多倍压器

4.2.6 分压器

4.2.7* “经济”电源和4×8电源

4.3 二次变换器

4.3.1 二次Buck变压器

4.3.2* Buck-Boost二次变换器（占空比<0.5）

4.4* 双开关Buck-Boost变换器

4.4.1 升降压交错式双开关Buck-Boost变换器

4.4.2 正输出电压的Z源Buck-Boost变换器

4.5* 开关电容/开关电感集成的基本变换器

4.5.1 基于开关电容/开关电感结构的变换器系列

4.5.2 KY变换器

4.5.3 Watkin-Johnson变换器

4.6* Sheppard-Taylor变换器

4.6.1 连续导通模式（CCM）工作

4.6.2 断续导通模式（DCM）工作

4.6.3 隔离型Sheppard-Taylor变换器

4.7* 有源开关电压应力低的变换器

4.7.1 具有Vin/2初级开关电压应力的四开关全桥型变换器

4.7.2 初级侧开关应力为三分之一输入电压的变换器

4.7.3 三电平Boost变换器

4.8* 电感带抽头的变换器

4.8.1 电感带抽头的Buck变换器和VRM（电压调节模块）

4.8.2 电感带抽头的Boost变换器

4.9* 有中心抽头电感的电流驱动双桥变换器

4.10 本章小结

习题

参考文献

术语表

本书主要讲述电力电子学与能源变换的相关知识，包括理论、设计和应用，涉及基本知识、应用实践、电路设计和最新发展。阐述电力电子学的关键内容，从基本元器件及其工作原理，到当前经典的硬开关与软开关DC-DC变换器、整流器和逆变器。全书共分4章：第1章简要阐述能源变换的主要内容；第2章集中于开关型变换器建模的综合研究；第3章详细讨论了硬开关变换器，电压驱动与电流驱动的推挽，半桥和全桥变换器等器件；第4章主要讲述电流倍加，三倍与倍增整流器，电压倍加与倍增整流器。每章的内容都是逐步提高难度的，同时章末给出该章的小结和习题及答案。

本书主要讲述电力电子学与能源变换的相关知识，包括理论、设计和应用，涉及基本知识、应用实践、电路设计和最新发展。阐述电力电子学的关键内容，从基本元器件及其工作原理，到当前经典的硬开关与软开关DC-DC变换器、整流器和逆变器。全书共分4章：第1章简要阐述能源变换的主要内容；第2章集中于开关型变换器建模的综合研究；第3章详细讨论了硬开关变换器，电压驱动与电流驱动的推挽，半桥和全桥变换器等器件；第4章主要讲述电流倍加，三倍与倍增整流器，电压倍加与倍增整流器。每章的内容都是逐步提高难度的，同时章末给出该章的小结和习题及答案。

目 录

第1章 概论

1.1 能源变换电子电路的应用领域

1.1.1 信息和电信产业的应用

1.1.2 可再生能源变换的应用

1.1.3 未来的能源变换——燃料电池

1.1.4 电动车辆

1.1.5 电子显示装置的应用

1.1.6 音频放大器

1.1.7 便携式电子设备

1.1.8 高电压物理实验和粒子加速器的应用

1.1.9 照明技术

1.1.10 AC-AC变频器

1.1.11 电力系统调节

1.1.12 制造业的能源回收

1.1.13 航空航天的应用

1.1.14 国防应用

1.1.15 传动和大功率工业的应用

1.1.16 电力电子电路的分类

1.2 电力电子电路工作的基本原理

1.3 功率电路的基本组成： 功率半导体开关和无源电抗元件

1.3.1 不可控开关——功率二极管

1.3.2 半可控开关（晶闸管）

1．3．3 可控开关

1.3.4 氮化镓（GaN）开关技术

1.3.5 功率开关的能耗

1.3.6 无源电抗元件

1.3.7 超级电容器

1.4 占空比控制的恒定开关频率变换器的基本稳态分析

1.4.1 基本DC-DC变换器的输入/输出电压比

1.4.2 连续和断续导通工作模式

1.4.3 基本变换器的元件设计

1.4.4 占空比控制（PWM）的控制器

1.4.5 变换效率， 硬开关和软开关

1.5 开关电容（SC）变换器简介

1.6 频率控制的变换器

1.6.1 谐振变换器

1.6.2 准谐振变换器（QRC）

1.7 AC-DC整流器和DC-AC逆变器概述

1.7.1 整流器

1.7.2 逆变器

1.8 范例分析

1.8.1 范例1

1.8.2 范例2

1.8.3 范例3

1.9 本章小结

习题

参考文献

第2章 DC-DC变换器建模

2.1 功率级建模的目的

2.2 平均状态空间方程和低纹波近似（时间线性化）

2.3 针对CCM工作的变换器， 基于平均状态空间方程的直流电压增益和

交流小信号开环传递函数

2.3.1 直流电压增益和交流开环干线负载电压的传递函数

2.3.2 小信号近似的占空比输出电压的交流传递函数

2.3.3 CCM工作的Boost、 Buck以及Buck-Boost变换器的直流增益和交流小信号开环

传递函数

2.3.4* CCM工作的Boost、 Buck以及Buck-Boost变换器的图解平均模型

2.3.5* CCM工作的DC-DC变换器正则图解的平均模型

2.4 针对DCM工作的变换器， 基于平均状态空间方程的直流电压增益和

交流小信号开环传递函数

2.4.1 降阶的平均模型

2.4.2* 全阶平均模型

2.5* 平均PWM开关模型

2.5.1 连续导通模式（CCM）工作的变换器的平均PWM开关模型

2.5.2 断续导通模式（DCM）工作的变换器的平均PWM开关模型

2.6 开关电阻和二极管正向电压的平均模型， PWM平均模型

2.6.1 开关直流电阻和二极管正向电压的平均模型

2.6.2 PWM平均模型

2.7* 准谐振变换器的直流和小信号分析用平均谐振开关模型

2.7.1 零电流（ZC）谐振开关的平均模型

2.7.2 零电压（ZV）谐振开关的平均模型

2.7.3 ZCS准谐振变换器的直流分析和开环小信号传递函数

2.7.4 ZVS准谐振变换器的直流分析和开环小信号传递函数

2.8 电力电子电路仿真和计算机辅助设计

2.9 范例分析

2.10 本章小结

习题

参考文献

第3章 传统DC-DC PWM硬开关变换

3.1 Buck DC-DC PWM硬开关变换器

3.1.1 电感器直流阻抗的影响

3.1.2 边界控制

3.1.3 考虑电感电流纹波以及电容ESR时， CCM工作的Buck变换器的损耗计算

3.1.4 CCM工作的Buck变换器设计

3.1.5 带输入滤波器的Buck变换器

3.1.6 DCM工作的Buck变换器的稳态分析综述

3.1.7 DCM工作的Buck变换器设计

3.1.8* Buck变换器动态响应的特点

3.2 Boost DC-DC PWM硬开关变换器

3.2.1 稳态CCM工作的Boost变换器

3.2.2 稳态DCM工作的Boost变换器

3.2.3* Boost变换器动态响应的特点

3.3 Buck-Boost DC-DC PWM硬开关变换器

3.3.1 稳态CCM工作的Buck-Boost变换器

3.3.2 稳态DCM工作的Buck-Boost变换器

3.3.3* Buck-Boost变换器动态响应的特点

3.4 uk升降压型(Boost-Buck)DC-DC PWM硬开关变换器

3.4.1 uk变换器的推导和开关工作

3.4.2 CCM工作的uk变换器的稳态分析及设计

3.4.3* 存在寄生电阻的uk变换器直流电压增益和交流小信号特性

3.4.4 设计实例和市售uk变换器

3.4.5* uk变换器的DCM工作

3.4.6* 带耦合电感的uk变换器

3.5 SEPIC PWM硬开关变换器

3.5.1 CCM工作的SEPIC变换器

3.5.2 CCM工作的SEPIC变换器的稳态分析

3.5.3* CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析

3.5.4 市售SEPIC变换器： 实例研究

3.5.5* DCM工作的SEPIC变换器

3.5.6* DICM工作的SEPIC变换器的交流分析

3.5.7* 隔离型SEPIC变换器

3.6 Zeta(反向SEPIC)PWM硬开关变换器

3.6.1 CCM工作的Zeta变换器

3.6.2 CCM工作的Zeta变换器的稳态分析

3.6.3* CCM工作的SEPIC变换器的小信号分析

3.6.4 设计案例和范例分析

3.6.5* DCM工作的Zeta变换器

3.6.6* 隔离型Zeta变换器

3.7 正激变换器（正向变换器）

3.7.1 DC-DC变换器结构中高频变压器的作用

3.7.2 正激变换器的推导

3.7.3 CCM工作的正激变换器

3.7.4 DCM工作的正激变换器和CCM与DCM的设计考虑

3.7.5* 多路输出正激变换器

3.7.6* 其他的磁芯复位策略

3.7.7 实用设计案例： 范例分析

3.8* 隔离型uk变换器

3.9 反激变换器

3.9.1 反激变换器推导

3.9.2 反激变换器的CCM和DCM工作

3.9.3 耦合电感器漏感的影响

3.9.4* 反激变换器的小信号模型

3.9.5 反激变换器的设计： 范例分析——实际考虑

3.10 推挽变换器

3.10.1 降压型的推挽变换器（电压驱动）

3.10.2 CCM下的推挽变换器

3.10.3 推挽变换器中的非理想因素

3.10.4 DCM工作

3.10.5* 升压型的推挽变换器（电流驱动）

3.10.6 设计实例

3．11 半桥变换器

3.11.1 Buck半桥变换器拓扑

3.11.2 CCM工作

3.11.3 输入到输出电压变换比和CCM工作的半桥变换器设计

3.11.4 实际问题

3.11.5 DCM工作

3.11.6* 电流驱动半桥变换器

3.12 全桥变换器

3.12.1 全桥拓扑

3.12.2 Buck全桥变换器的CCM工作

3.12.3 输入/输出电压变换比和CCM工作的Buck全桥变换器的设计

3.12.4 实际问题

3.12.5* 其他晶体管控制方式： 移相控制

3.12.6* 电流驱动型全桥变换器

3.13 本章小结

习题

参考文献

第4章 DC-DC变换器的衍生结构

4.1 推挽、 半桥和全桥变换器的倍流整流器（Current Doubler Rectifier, CDR)

4.1.1 倍流整流器的周期运行

4.1.2 具有倍流整流器（CDR)的变换器的电压变换比

4.1.3 电流纹波率

4.1.4* 其他结构的倍流整流器(CDR)

4.1.5 倍流整流器的缺点

4.1.6* 三倍流或多倍流整流器

4.2 倍压和多倍压整流器

4.2.1 全波桥式倍压整流器

4.2.2 Greinacher倍压整流器

4.2.3 三倍压器及常规的Cockcroft-Walton多倍压器

4.2.4* 单电容倍压器

4.2.5 斐波那契开关电容多倍压器

4.2.6 分压器

4.2.7* “经济”电源和4×8电源

4.3 二次变换器

4.3.1 二次Buck变压器

4.3.2* Buck-Boost二次变换器（占空比<0.5）

4.4* 双开关Buck-Boost变换器

4.4.1 升降压交错式双开关Buck-Boost变换器

4.4.2 正输出电压的Z源Buck-Boost变换器

4.5* 开关电容/开关电感集成的基本变换器

4.5.1 基于开关电容/开关电感结构的变换器系列

4.5.2 KY变换器

4.5.3 Watkin-Johnson变换器

4.6* Sheppard-Taylor变换器

4.6.1 连续导通模式（CCM）工作

4.6.2 断续导通模式（DCM）工作

4.6.3 隔离型Sheppard-Taylor变换器

4.7* 有源开关电压应力低的变换器

4.7.1 具有Vin/2初级开关电压应力的四开关全桥型变换器

4.7.2 初级侧开关应力为三分之一输入电压的变换器

4.7.3 三电平Boost变换器

4.8* 电感带抽头的变换器

4.8.1 电感带抽头的Buck变换器和VRM（电压调节模块）

4.8.2 电感带抽头的Boost变换器

4.9* 有中心抽头电感的电流驱动双桥变换器

4.10 本章小结

习题

参考文献

术语表

本书涉及开关变换器建模、分析与控制方法的综合性理论和应用研究，具体内容包括：开关变换器的功率变换原理分析、开关变换器电路拓扑及其稳态特性、开关变换器的状态空间平均建模、开关变换器的时间平均等效电路、软开关变换器电路拓扑及其稳态特性、软开关变换器时间平均等效电路分析、软开关变换器广义状态空间平均建模、开关变换器调制与控制技术、电压型控制开关变换器分析与设计、电流型控制开关变换器分析与设计。