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| 編輯推薦： |
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结合多年的理论探索和技术实践， 揭示电力电子电磁瞬态过程的规律及分析方法，是一部高水平的著作
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| 內容簡介： |
本书系统地论述了电力电子系统瞬态过程的理论分析和实际应用。全书内容分为10章。第1章从电力电子系统解析和综合两方面分别梳理和认识电力电子系统的结构和属性； 第2章叙述电力电子系统电磁瞬态过程及其建模； 第3~5章分别论述了功率开关器件瞬态特性、瞬态换流拓扑及其杂散参数和基于器件特性的系统安全工作区； 第6~8章分别论述了电磁瞬态过程的量测、主电路电磁脉冲及其序列和高性能闭环控制及其限制； 第9章阐述了瞬态电磁能量平衡控制策略基本原理与控制方法； 第10章主要介绍了电磁瞬态分析在典型电力电子系统中的应用。
本书可供从事电力电子领域工作，特别是从事大容量电力电子系统研究、装置开发和工程应用的专业人士参考，也可作为高等院校相关专业教师和研究生的参考教材。
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| 目錄：
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目录
第1章绪论
1.1电力电子系统解析
1.1.1功率半导体器件
1.1.2功率变换电路
1.1.3脉冲控制
1.2电力电子系统综合
1.2.1硬件与软件的统一性
1.2.2能量与信息的互动性
1.2.3线性与非线性的转换性
1.2.4离散与连续的混杂性
1.2.5多时间尺度的协调性
1.3电力电子系统应用
1.3.1柔性交直流输电
1.3.2新能源并网发电中电力电子装置
1.3.3电力牵引
1.4电力电子系统存在的问题
1.4.1对功率开关器件短时间尺度的电磁瞬态过程认识不清
1.4.2瞬态电能变换拓扑结构理想化
1.4.3信号脉冲与能量脉冲差异
1.4.4电磁瞬态过程不明确
第2章电磁瞬态过程及其建模
2.1电力电子系统中的电磁瞬态过程
2.1.1主功率回路电磁瞬态过程
2.1.2驱动回路电磁瞬态过程
2.1.3控制回路电磁瞬态过程
2.2电磁瞬态过程数学模型
2.2.1电磁瞬态过程建模方法
2.2.2主电路电磁瞬态模型
2.2.3元器件电磁瞬态模型
2.2.4驱动电路和控制电路的电磁瞬态模型
2.3时间尺度的差异及其影响
2.3.1典型瞬态回路时间尺度及比较
2.3.2不同时间常数回路电磁变换关系
2.3.3时间常数差异带来的影响
2.3.4电磁变换平衡下的回路参数匹配
2.4电磁脉冲及脉冲序列
2.4.1电磁脉冲及脉冲序列数学描述
2.4.2脉冲及其序列传输和变异
2.4.3时间脉冲序列和脉冲逻辑组合
第3章功率开关器件瞬态特性
3.1功率开关器件的物理机制和器件特性关系
3.1.1物理机制与典型器件特性的关系
3.1.2不同物理机制器件特性差异
3.2变换器中功率开关器件瞬态特性测试
3.2.1单个器件测试的拓扑与控制
3.2.2独立测试平台单个器件瞬态特性
3.2.3变换器中的单个器件瞬态特性
3.3变换器中功率开关器件瞬态特性分析
3.3.1运行中开关特性分析
3.3.2相互影响现象分析
3.4功率开关器件的并联运行
3.4.1关键参数对并联器件瞬态特性影响
3.4.2IGBT并联特性分析
3.4.3IGBT并联实验研究
3.5功率开关器件的串联运行
3.5.1器件串联均压的基本思路
3.5.2IGCT串联
第4章瞬态换流拓扑及其杂散参数
4.1瞬态换流拓扑定义
4.1.1变换器拓扑定义
4.1.2变换器瞬态换流拓扑
4.2复杂主电路杂散参数提取方法
4.2.1提取方法对比
4.2.2PEEC准确性分析
4.2.3复杂结构的参数提取简化处理
4.3基于模块封装IGBT的变换器主电路杂散参数分析
4.3.1杂散参数对变换器中IGBT特性影响
4.3.2IGBT变换器直流母排建模
4.4基于平板压装IGCT的变换器主电路杂散参数分析
4.4.1IGCT三电平变换器主电路母排建模
4.4.2瞬态换流拓扑
4.5杂散参数影响量化分析及其优化
4.5.1模块封装IGBT变换器中的杂散参数影响评估
4.5.2模块封装IGBT变换器母排优化
4.5.3平板压装IGCT变换器中的杂散参数影响评估
4.5.4平板压装IGCT三电平变换器母排优化
第5章基于器件特性的系统安全工作区
5.1系统安全工作区的定义
5.1.1系统安全工作区的基本思想
5.1.2器件安全工作区与系统安全工作区的关系
5.2系统安全工作区的数学模型
5.2.1关键器件、拓扑和控制参数定义
5.2.2数学模型推导
5.2.3基于系统安全工作区设计样例
5.3系统安全工作区的影响因素分析
5.3.1直流母排杂散参数影响
5.3.2控制参数影响
5.3.3外部参数影响
5.3.4温度参数影响
5.3.5器件并联特性影响
5.4基于系统安全工作区的评估与优化设计
5.4.1评估与优化设计流程
5.4.2系列化电力电子变换器设计中的应用
5.4.3基于系统安全工作区变换器评估与保护
第6章电磁瞬态过程的量测观测分析
6.1采样系统的结构、组成和功能
6.2采样系统中功率量和信号量的差异
6.3采样延迟和误差对控制性能的影响
6.3.1频域分析
6.3.2时域分析
6.4抑制采样延迟和误差设计
6.4.1硬件设计
6.4.2软件设计
6.4.3采样系统优化设计的效果
第7章主电路电磁脉冲及其序列
7.1电力电子系统中各类脉冲及其序列的数学描述
7.1.1各类脉冲的区别及演化过程
7.1.2能量脉冲数学描述
7.1.3信号脉冲数学描述
7.1.4能量脉冲序列数学描述
7.1.5信号脉冲序列数学描述
7.2脉冲形态变化的影响及解决方法
7.2.1死区影响及最小脉宽设计方法
7.2.2最小脉宽影响及解决方法
7.2.3离散误差及其补偿方法
7.3脉冲时序变化的影响及解决方法
7.3.1脉冲延迟对控制性能的影响
7.3.2脉冲延迟的补偿方法
第8章高性能闭环控制及其限制
8.1闭环控制系统结构与限制
8.1.1闭环控制系统的结构
8.1.2传统控制方法的限制
8.2控制策略造成的无效脉冲的影响及解决方法
8.2.1控制耦合产生的无效脉冲
8.2.2控制器饱和产生的无效脉冲
8.2.3变换器特殊运行状态中产生的无效脉冲
8.3短时间尺度主动控制方法
8.3.1主电路电磁脉冲的控制方法分类
8.3.2主电路电磁脉冲的主动控制方法
8.3.3主动控制方法的效果
8.3.4主动控制方法与主电路集成技术
8.3.5分布式主动控制方法的效果
第9章瞬态过程中的电磁能量平衡
9.1电磁能量平衡及建模
9.1.1瞬态电磁能量平衡关系
9.1.2基于瞬态能量平衡的控制建模
9.2基于瞬态能量平衡的控制
9.2.1传统电压控制策略性能分析
9.2.2基于瞬态能量平衡的控制策略
9.3背靠背变换器能量平衡控制
9.3.1双PWM变频器系统的能量平衡模型
9.3.2双PWM变频器母线电容能量波动过程分析
9.3.3基于分步补偿的能量平衡控制策略
9.3.4基于能量平衡控制策略的母线电压波动
最小化设计方法
9.4电磁能量平衡控制分析
9.4.1控制系统小信号模型
9.4.2系统稳定性分析
9.4.3系统动态性能分析
9.4.4系统稳态误差分析
9.4.5仿真与实验结果分析
第10章变换系统中电磁瞬态分析的应用
10.1高压IGBT串联变换器电磁瞬态分析
10.1.1适用于高压IGBT串联的瞬态机理模型
10.1.2串联IGBT瞬态行为分析
10.1.3拖尾阶段的瞬态特性
10.2基于SiC器件的高频变换器
10.2.1开关瞬态过程分析与建模
10.2.2高频变换器电磁瞬态过程分析
10.3结语
参考文献
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| 內容試閱：
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继人们对电机过渡过程和电力系统暂态过程分析之后展开的对电力电子系统瞬态过程的分析，正改变着人们对电气工程学科的看法，使之形成一种新的电气工程学科自然观，促进了一批电气工程学科新思想、新理念、新方法和新技术的孕育和发展，并有可能从根本上影响现代电气工程学科的动力学分析体系。与电机和电力系统学科不同，电力电子学科从一开始就定义为交叉学科，包括功率半导体器件、功率变换电路以及对器件与电路的控制，同时需要考虑电磁场、热力场、机械力场等多种物理场的融合。特别是全控型半导体开关器件的应用和脉冲调制技术的引进，它们将连续变化的电磁能量转化为准离散型的、可控的电磁能量脉冲序列组合，使得原来在电机学和电力系统暂态分析中采用的连续的大时间尺度电磁暂态过渡过程分析方法难以适用。它不仅带来对脉冲型电磁瞬态过程分析方法的困惑，更是带来人们对电磁能量变换认识上的变更。从这个意义说，电力电子学科的发展是对整个电气工程学科内涵的深化和外延的扩展。电力电子系统由半导体开关器件、电子电路及控制等要素构成，尽管各要素特性不尽相同，但是从整个变换系统的角度来看，由于它们在系统中的有机结合，从而形成了电力电子系统的有机统一。一般来说，电力电子系统具有硬件与软件的统一性、能量与信息的互动性、线性与非线性的转换性、离散与连续的混杂性以及多时间尺度的协调性等，正是这些独有的综合特性体现出了电力电子学科自身的学科属性。与之相对应的电力电子技术则需要处理好在这些属性条件下的电磁能量可控变换，涉及电磁能量变换瞬态过程及其平衡，需要处理好器件与装置、控制与主电路、分布参数与集总参数等关系的问题。电力电子变换理论和技术目前还处在一个基于功率半导体技术、电子电路技术以及控制技术的简单合成应用技术层面，基本上还处于实验科学的范畴，其自身理论体系还在持续发展过程之中。从系统集成、能量变换以及电磁瞬变的角度进行电力电子技术特别是针对大容量电力电子装置与系统的应用基础理论研究应该是这种发展的主要方向。过去二十多年来，我们研究团队先后在电机传动控制、光伏并网发电、大容量多电平变换器研制，以及近年来的面向能源互联网的电能路由器、无线电能传输等方面进行了较深入的理论研究和工程应用，深刻感受到电磁瞬态过程是电力电子系统中的关键核心问题之一。正是基于这样一个认识，结合我们研究团队多年来在电力电子系统领域的理论探索和技术实践，我们撰写了这本书，尝试初探电力电子系统电磁瞬态过程的规律及其分析方法，进而起到抛砖引玉的作用。本书共分为10章。第1章为绪论，从大容量电力电子系统入手，分别从电力电子系统的解析和综合两方面来梳理和认识电力电子系统的结构和属性，围绕电力电子系统的核心问题电磁能量变换瞬态换流平衡，阐述这种变换所具有的多时间尺度、准离散性和强非线性等特点。在分别叙述典型大容量电力电子应用系统的电磁瞬变特点之后，列举了电力电子系统研究和应用中存在的相应困惑和问题。第2章作为立论基础，叙述了电力电子系统中不同换流回路、不同变化时间尺度的电磁瞬态过程； 简述了针对这些电磁瞬态过程的数学建模以及建模方法； 具体分析了各时间尺度的差异及其带来的影响； 分析了各种电磁脉冲及其序列的数学描述和差异。第3章从功率半导体器件的内部物理机制和外部影响因素两个方面，分析了功率半导体器件在电力电子系统应用中表现出来的电磁瞬态特性。第4章论述了瞬态换流拓扑及其杂散参数，包括不同类型变换器中的杂散参数影响差异、杂散参数的提取方法以及如何设计降低杂散参数影响等问题。第5章在分析了器件特性和变换器各元素之间相互约束关系的基础上，论述了电力电子系统安全工作区的概念，从系统的角度、能量变换的角度以及全时域电磁瞬态过程的角度来描述电力电子装置的尽限应用和可靠性之间的矛盾。第6章描述了采样系统的结构、组成和功能，论述了采样系统中功率量和信号量之间的差异，分析了采样延迟和误差对控制性能的影响，并给出了采样系统的优化设计方法。第7章叙述了信号脉冲、驱动脉冲和功率脉冲之间的差异和互动关系，通过这些脉冲的比较，讨论了电力电子系统中的信息与能量之间的互动关系。第8章从控制的角度来分析电力电子系统中的高性能闭环控制及其限制，讨论了闭环控制的结构、传统控制的特性及其限制，特别分析了无效脉冲和异常脉冲产生的原因以及带来的影响。第9章基于电力电子变换器中瞬态能量分布和流动规律，阐述瞬态电磁能量平衡控制策略的概念和基本原理； 演示基于瞬态电磁能量平衡的控制方法； 分析基于瞬态电磁能量平衡的控制方法的稳定性和鲁棒性。第10章重点介绍电磁瞬态分析在高压IGBT串联动态均压变换器和基于SiC高频开关器件的功率放大器等变换系统中的应用。本书总结了我们研究室十多年来在电力电子变换系统理论探讨和技术实践的研究成果。曾经在我们研究室学习和工作过的不少学者和同学为本书内容作出了重要贡献，他们是白华、张海涛、易荣、张颖超、张永昌、钟玉林、胡斯登、尹璐、邹高域、贺凡波、陈凯楠、姬世奇、葛俊杰等，在此对他们表示衷心感谢。同时在撰写本书的过程中，还得到本研究室其他老师和同学们的大力帮助和校核，如孙晓瑛、翁幸、蒋烨、凌亚涛、鲁思兆等，在此一并表示感谢。另外，在撰写该书时，我们参阅了大量的论著文献，主要的已经列入了参考文献中，在此对这些论著文献的作者表示衷心的感谢。本书部分内容是在国家自然科学基金重大项目大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制51490680、51490683资助下完成的，如电力电子综合系统分析、电磁瞬态过程建模、信号脉冲与功率脉冲的比较、多时间尺度的比较和分析、基于能量平衡的控制方法等，在此深表感谢。本书可供从事电力电子技术，特别是从事大容量电力电子系统研究、装置开发和工程应用的专业人士参考，也可供高等院校相关专业的教师和研究生作为参考书籍。由于作者水平有限，且电力电子系统电磁瞬态过程研究仍处在动态发展之中，我们在这方面仅做了一些初步的工作，书中难免存在许多的不足，甚至是错误之处，恳请广大读者批评指正。
赵争鸣2017年3月于清华园
第1章绪论
电力电子与微电子的本质区别在于所涉及的电磁功率等级不同。本书所涉及的电力电子系统意指功率等级在几十千瓦、几百千瓦乃至几十兆瓦以上，电压等级在百伏、千伏乃至几十万伏以上，电流容量在几十安、几百安乃至上万安以上，面向不同应用领域的电力电子变换装置和系统。电力电子装置和系统相关产业是一个涉及三个层面的产业链： 电力电子元器件上游、元器件构成的电力电子装置中游及以装置为基础的应用系统下游。该产业覆盖了几乎所有关系国民经济发展和国防安全的关键技术领域，如材料、制造业、信息和通信、航空和运输、能源和环境等。电力电子系统即为多学科交叉系统，电气部分主要包括功率半导体器件、功率变换电路以及对器件与电路的控制，表现出弱电控制强电、软件控制硬件、部件融于系统、信息能量互动的系统特点。早在1973年，国际电力电子先驱、美国西屋公司的William E. Newell博士就指出电力电子的多学科性质： 电力电子技术是电气工程的三个主要学科电子学、电力和控制的交叉。因此，电力电子系统的本质就是器件、电路及其控制的相互交叉作用以实现对电磁能量的有效变换。为得到所期望的变换特性，电力电子系统中一般采用类似脉宽调制的方法以得到所需的电力特性，这种以脉冲调制方法输出的电磁能量表现为能量脉冲及其序列形式。电磁能量脉冲序列是电力电子系统中的基本形式，也是电力电子系统电磁瞬态过程的特殊表现形式。该瞬态过程的时间常数通常在微秒或纳秒之间，这种短时间尺度的电磁瞬态过程对于电力电子系统的可靠有效运行起着决定性作用： 一方面它是电量波形变换的基础； 另一方面，若控制不好，它将直接导致器件失效和装置损坏。因此，短时间尺度的电磁瞬态过程是电力电子系统中的核心问题之一。
1.1电力电子系统解析
1.1电力电子系统解析电力电子系统由多方面要素构成。要分析电力电子系统的电磁瞬态过程，首先需要分别对其构成要素如功率半导体器件、主电路及控制等进行解析，解析的目的是了解各要素的结构、特性以及在系统中的作用和限制。1.1.1功率半导体器件功率半导体器件作为电力电子系统的基础，自从20世纪50年代世界上第一只晶闸管thyristor，也称为silicon controlled rectifier，SCR问世以来，到70年代的金属氧化物半导体场效应管metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET的发展，80年代的绝缘栅极晶体管insulated gate bipolar transistor，IGBT的诞生，90年代的集成门极换流晶闸管integrated gate commutated thyristor，IGCT的应用，直至21世纪初以来碳化硅silicon carbide，SiC宽禁带器件的兴起，经历了不控与半控器件、电流型全控器件、电压型全控器件、混合集成功率模块和宽禁带器件等不同阶段，大功率、高电压和高频率一直是功率半导体器件发展中所追求的目标。继晶闸管SCR和门极可关断晶闸管gate turnoff thyristor，GTO之后，绝缘栅双极晶体管IGBT成为功率半导体器件的主要发展平台。减小通态压降，提高工作频率，实现二者的最佳折中，是IGBT向高频大功率化发展的基本追求。采用做在单晶片上的非穿通nonpunching through，NPT结构取代做在外延片上的穿通punching through，PT结构，是IGBT大功率化的关键改进措施。封装在一个管壳里的多串多并结构是IGBT走向大功率化的必经之路。大功率IGBT已经成为在高电压和大功率应用领域中强有力的竞争者，并仍继续在高频化、大功率化和易于驱动等特性方面进一步提升。宽禁带材料以及基于宽禁带材料的半导体开关器件已成为热点。基于碳化硅等宽禁带半导体材料的新型开关器件如SiC Schottky二极管、SiC JFET以及SiC MOSFET等正在快速发展，并走上应用。相比硅基材料，宽禁带材料具有工作极限温度高、击穿场强大、导热性好等优点，理论上有着很大应用潜力，宽禁带器件有希望实现比现有硅基器件更优良的特性，在一定程度上提升电力电子变换装置和系统的能力。单个功率半导体器件在电力电子系统中起到一个类似于电气开关的作用，俗称为功率开关器件，也是电磁能量脉冲的产生之源。但是其通态和阻态特性与通常导体和绝缘体有很大差别。正是这种差别，才形成了电力电子系统中独有的开关型电磁能量脉冲特性。形成该差别的主要原因是功率半导体中的PN结及多PN结特性所致。PN结在整个功率半导体器件特性中占有重要地位。从电力电子装置研制和应用者的角度来看，掌握PN结特性以及多PN结之间的关系特性是非常重要的。下面回顾功率半导体器件的几个主要特性。1. 单PN结的通态和阻态特性众所周知，本征半导体内部在一定温度下激发出自由电子，同时在价电子原来的位置上留下相应数量的带正电的空穴，空穴的出现是半导体区别于常规导体以自由电子为载流子的一个显著特点。本征半导体中的自由电子和空穴构成半导体内载流子总量，且这些载流子浓度随温度的变化而有明显变化，所以功率半导体器件的导电特性随温度变化而显著变化，这是功率半导体器件导电的一个重要特性。另一方面，用适当的方法如合金法、扩散法、外延生长法、离子注入法等在本征半导体内掺入微量杂质，也会使半导体的导电能力发生显著变化。因掺入杂质化合价的不同，杂质半导体分为电子型N型半导体和空穴型P型半导体两类。在N型和P型半导体的交界处出现了电子和空穴的浓度差别，存在着浓度梯度，载流子在无规则的热运动中将由高浓度区向低浓度区扩散。因此，一些电子会从N区向P区扩散，也会有一些空穴从P区向N区扩散。即因载流子在半导体内分布不均匀而产生了扩散运动，由此形成的电流称为扩散电流。显然，扩散电流不满足欧姆定律。
图1.1PN结示意图
扩散运动在PN交界面两侧产生不移动的正、负空间电荷，形成了由N区指向P区的电场，称为内建电场，如图1.1所示。这个内电场的方向是阻止扩散运动的。同时又有电子逆电场方向漂移回N区，而空穴沿电场方向漂移回P区，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。载流子在电场的作用下有规则的运动称为漂移运动，所形成的电流称为漂移电流。可认为漂移电流满足欧姆定律。
正是由于半导体内部PN交界面上的扩散电流和漂移电流构成了半导体器件导电的主要特征。半导体内部的扩散运动和漂移运动相互独立又相互联系。在一定温度下，当两者达到动态平衡时，正、负空间电荷量达到稳定值，总量不再变化，形成了一个稳定的由空间电荷构成的区域，称为空间电荷区。在整个空间电荷区域内，正、负电荷数量相等，仍保持电中性，这就是PN结。PN结的主要特征为单向导电性，这一特征在平衡状态时表现不出来，只有在外加电压时才显示出来。当PN结外加正向电压UD，即UD的正端接P区，负端接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反，则称PN结为正偏置； 当PN结外加反向电压UD，即UD的正端接N区，负端接P区时，外加电场与PN结内电场方向一致，称PN结为反偏置。正偏置与反偏置的PN结结构图如图1.2所示。
图1.2PN结的正偏置和反偏置
当PN结处于正偏置时，在外加电场作用下，扩散运动大于漂移运动。由于中和的结果使空间电荷量减少，PN结变窄，这种现象称为少子注入。在外电路上形成一个流入P区的电流，称为正向电流I。当外加电压UD升高时，PN结内电场被进一步削弱，正向电流随之增加。正向的PN结呈现一个很小的压降，可以流过较大的正向电流，称为正向导通。当PN结处于反偏置时，外加电场阻止扩散运动的进行，少数载流子更容易产生漂移运动。载流子将进一步离开PN结，使PN结变宽，这种现象称为少子抽出。反偏的PN结呈现很大的耐压能力，几乎没有电流流过，称为反向截止。功率半导体器件的承压特性就是由该反向偏置特性所决定。2. 多PN结的相互作用特性大部分功率半导体器件内部往往并不只有一个PN结，而是由多个PN结构成，如双极型功率晶体管bipolar junction transistor, BJT内部为两个PN结，GTO内部为三个PN结。器件内部各PN结相互之间的作用，以及PN结与器件外围电路的共同作用，决定了该功率半导体器件的特性。以IGBT为例，它是由MOSFET和BJT混合而成，构成电压控制型的三层半导体PNP和两个主PN结的全控型功率半导体器件，其结构示意图如图1.3所示。
图1.3IGBT多PN结功率半导体器件的结构示意图
这种三层两结的结构，并不是单纯由电路连接形成，而是通过较复杂的工艺制作过程形成。简单说来，图中下层P区称为BJT的发射区，其作用是向基区注入载流子； 中间基区是一个具有掺杂浓度低的N-区和掺杂浓度高的N 区的混合层，它的任务是传送和控制载流子； 集电区则是收集载流子的P型半导体层。不同类型半导体区的交界处则形成PN结，发射区与基区交界处的PN结称为发射结J1，集电区与基区交界处的PN结称为集电结J2。当IGBT器件栅极与发射极间施加足够的正向电压，且集电极发射极处于正偏状态时，IGBT进入开通状态。此时晶体管发射结J1正偏，集电结J2反偏。由于栅极电压的影响，发射区P区靠近栅极的部分形成反型层导电沟道，电子可从发射极下的N 区经沟道流向基区，由于集电结J2反偏，一部分基区电子最终扩散至集电区。由于存在从发射区流向基区的电子，由集电区向基区扩散的空穴一部分与基区的电子复合，一部分受发射结J1自建电场的作用漂移至发射区，形成从集电极到发射极的电流。这些大量通过发射结J1的空穴起到了减小其空间电荷区的作用，即IGBT导通。而当IGBT器件栅极与发射极间施加的电压低于阈值电压时，反型层导电沟道不能继续维持，发射区不再向基区提供电子，集电结与发射结之间的相互影响大大减弱。由于处于反偏置的PN结没有外来载流子通过其空间电荷区，IGBT则处于阻断状态。可见，仅有单个PN结的功率半导体器件如功率二极管的开通和关断状态，完全由外加电压的正偏置或反偏置状态所决定； 而具有多PN结的功率半导体器件如IGBT等的开通和关断状态，则是由其内部PN结之间状态的关系所决定。可以通过器件控制端的状态变化来改变各PN结之间状态的关系，也就是说，可以进行可控开通或关断。这是解析电力电子变换器的基础，即具有多PN结的功率开关器件是一个具有可控开关特性的器件。由于其开通和关断都需要一个针对PN结空间电荷区宽度改变的过程，所以其开关特性一般分为开通、关断、通态和阻态四个状态特性，前两个特性称为瞬态特性，后两个特性称为稳态特性。一般将不考虑开通和关断瞬态过程、不考虑通态压降和阻态漏电流的功率半导体器件，视其为理想开关器件； 而为强化变换电路中功率半导体器件的开关作用，后面论述中将功率半导体器件称为功率开关器件。1.1.2功率变换电路将功率开关器件及其他相关功率元件以一种适当的方式连接起来，以实现电量包括电压、电流、频率、波形等的有效变换，这种连接方式就称为功率变换电路，通称为拓扑结构。功率变换电路是电力电子系统运行的条件。以往谈到的电力电子系统中的拓扑结构，主要指的是实施电量变换波形变换和参数变换电路中理想开关器件和具有集总参数的无源元件之间的连接关系。从20世纪20年代就提出了整流电路，到60年代出现了直流到直流DCDC变换电路，70年代的逆变电路，直至今天的各种混合式变换拓扑结构，拓扑结构一直在朝着提升输变电能力耐压高、通流大、谐波小、效率高等方向发展。用于高压大容量的典型主电路拓扑结构有： 二极管中点箝位式多电平结构neutral point clamped，NPC，电容跨接式多电平结构flyingcapacitor，H桥级联式多电平结构cascaded Hbridge，以及模块化多电平结构module multilevel converter，MMC等。图1.4所示即为这些典型拓扑结构原理电路图。
图1.4适用于高压大容量电力电子装置的典型拓扑结构电路图
这些拓扑结构具有一些共同特点： ①主电路中的每个功率开关器件承受一部分直流母线电压阻态时，可以采用较低耐压的器件组合来承受高压大功率的输入输出，且无需动态均压电路； ②由于输出电平数的增加，改善了输出电压波形； ③可用较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器相同的输出基波电压波形，因而开关损耗较小，效率较高； ④由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，变换器输出电压突变的台阶减小，使dudt应力大大减小，有效防止器件击穿，同时改善了装置的电磁兼容特性。很显然，这样的功率变换电路特性主要基于理想开关器件特性和集总元件参数来描述，并没有反映实际功率变换电路中非理想开关器件的瞬态特性，以及由于这些瞬态特性产生的各元器件和连接线上的分布杂散参数效应。因此，在实际应用中，采用这些理想拓扑结构得到的电力电子变换系统设计、分析和控制效果都受到很大的限制，以至于电力电子装置的变换能力和可靠性都受到制约，这些问题在大容量电力电子系统中尤显突出。1.1.3脉冲控制脉冲控制是电力电子系统可控运行的关键。针对电力电子装置与系统的脉冲控制主要体现在对功率开关器件的开关控制上。为有效控制输出电压、电流、频率以及波形，通常采用脉冲调制如脉宽调制或脉幅调制等控制技术，利用功率开关器件的可控开通和关断把连续变化的输入电量变成离散序列的输出脉冲电量，通过控制脉冲宽度、幅度或周期来达到变压、变流或变频的目的。脉冲控制是电力电子控制系统的特点之一。实施脉冲控制包括两个方面： 一是硬件部分，主要指的是信号处理芯片。从20世纪50年代的模拟电路，到70年代的单板机，80年代的单片机，90年代的数字信号处理器digital signal processor, DSP，再到21世纪以来的多核高性能数字信号处理器，运算速度、计算精度、存储能力都得到了很大的提高。二是软件部分，主要指脉冲控制算法，包括脉冲调制方法和系统控制方法。脉冲调制方法很多，经历了波形比较、滞环比较、空间矢量、特定消谐、单周期控制等方法的发展，已经形成了众多的系列脉冲调制方法。针对大容量电力电子装置与系统，主要采用多电平载波脉宽调试multilevel sinusoidal pulse width modulation, MSPWM、空间矢量脉宽调制space vector pulse width modulation, SVPWM以及它们的各种变异方法。图1.5为典型的五电平SPWM和三电平SVPWM示意图。再加上目标闭环控制算法，进一步修正PWM，从而形成多种闭环PWM控制方法，如电力传动中的矢量闭环控制vector control，VC和直接转矩闭环控制direct torque control，DTC等。
图1.5典型的五电平SPWM和三电平SVPWM示意图
控制软硬件的不断发展大大促进了电力电子装置与系统的发展。针对大容量电力电子装置与系统的应用，采用参数控制与目标控制相结合内外环控制相结合、双核芯片与现场可编程门阵列fieldprogrammable gate array, FPGA相结合、信号控制与功率直接控制相结合是它的发展趋势。
图1.6信号脉冲、驱动脉冲和能量脉冲的实验比较
然而，以往的脉冲控制主要基于理想开关和线性电路的特性。非理想开关和非线性电路给控制带来的问题是信号传输延迟和脉冲波形畸变。从控制芯片测出的信号脉冲、驱动电路测出的驱动脉冲以及开关器件上测出的电压或电流脉冲也称为能量脉冲，实验测试比较图如图1.6所示上为信号脉冲，中为驱动脉冲，下为能量脉冲。由图1.6可见，基于信号调制理论进行的脉冲控制在实际装置控制中存在延迟和畸变，特别在实际的功率开关器件开通和关断瞬态过程中存在控制盲区即开通和关断过程不可控，使得理想控制功能难以实现，同时可能产生一些异常脉冲，轻者影响波形，严重时可能损坏器件和装置。
1.2电力电子系统综合
1.2电力电子系统综合电力电子系统中的各要素特性不尽相同，但是从整个系统的角度来看，正因为它们在系统中的有机结合，从而形成了系统的有机统一，呈现出系统综合特性。系统综合的目的则是了解各要素之间的相互关系，从系统整体上把握变换系统电磁瞬态特性。概括来说，电力电子系统具有硬件与软件的统一性、能量与信息的互动性、线性与非线性的转换性、离散与连续的混杂性以及多时间尺度的协调性等综合特性。1.2.1硬件与软件的统一性典型的电力电子系统结构如图1.7所示，其主要硬件部分包括： ①由功率二极管器件也可以是全控型功率开关器件构成的整流环节，它将交流电整流成直流电； ②由电容和连接件构成的直流母线环节，它将过滤掉直流电上的纹波，同时更好地保持直流电源的性质； ③由全控型功率开关器件构成的逆变环节，它将直流电逆变成所需要的交流电； ④由传感器、控制芯片、通信连线和驱动电路构成的系统控制环节，它们作为整个信息系统的物质载体和信息流的通道。
图1.7典型的电力电子系统硬体结构图
硬件系统的主要要素包括各元器件功率开关器件、无源器件、信号处理器件等及各元器件的连接。从理想硬件特性来看，功率开关器件相当于理想开关，即开通与关断之间没有时间间隔，当然也不考虑开关瞬态过程，仅考虑开通时的通流能力和关断时的承压能力如额定电流和额定电压； 无源器件主要指的是电感、电容等，可以看成为可变的理想电源理想电流源和电压源，即不考虑器件损耗和分布杂散参数，只考虑其集总参数值； 信号处理器件则只考虑信号处理能力，不考虑信号的延迟和畸变。元器件的连接包括连接件材料、接头以及连接方式拓扑结构，在理想情况下，不考虑连接件的材料特性和接头上的分布杂散参数，只考虑其连接拓扑特性。这些要素构成了典型变换器理想硬件系统。软件系统主要要素包括信号采样、IO通信、信号处理、系统控制、保护、系统功能管理等，它们体现在各信号处理器里面的程序代码上或者模拟信号电路中。理想条件下，不考虑软件系统的时延和畸变。电力电子系统中的硬软件系统缺一不可： 硬件系统在软件的作用下可控运行，软件系统通过硬件系统体现功能作用。在硬软件均为理想条件下，理想器件和线性拓扑的计算机仿真可以在不用考虑实际硬软件特性情况下很好地模拟整个变换系统运行状态，一般称之为理想运行或为机理仿真。但是，实际中的硬件和软件系统都是非理想的，如功率开关器件的开通和关断过程是需要经历时间的，且存在电磁损耗； 连接件存在分布杂散参数，信号处理过程中存在时延和畸变等。这些非理想因素在系统实际运行中都会表现出来，体现在硬软件的各个具体器件和算法的特性参数上。例如，同为功率开关器件，IGBT与IGCT就有很大差别，即使采用同样的连接方式即同样的拓扑结构，用它们分别作为全控开关器件的变换系统之间也有很大的差别。所以，考虑非理想因素的存在，需要对实际的硬软件参数进行分别设计和适当匹配，才能使整个电力电子系统真正有效运行。1.2.2能量与信息的互动性硬软件所运载的是变换系统中的能量与信息。本处提到的能量类别主要指的是电磁能量，由外加电源供给，经过变换系统主电路的可控变换和传输传送给外面
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