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出版者:

作者:黄忠霖

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2010-1

价格:42.00元

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isbn号码:9787118066241

丛书系列:

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• 电气
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• 电工学
• 电力系统
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现代电力电子系统设计与控制：理论、建模与仿真 本书是面向电气工程、自动化、控制科学等领域的研究人员、高级工程师和高年级本科生、研究生的专业参考书。它系统地阐述了现代电力电子变换器在电力系统中应用的最新理论、先进的建模技术以及高效的仿真方法。全书立足于前沿研究和工程实践的紧密结合，旨在提供一个从基础原理到复杂系统实现的完整技术路径。 --- 第一部分：电力电子系统基础与器件特性深化 本部分内容着眼于巩固读者对现代电力电子系统的基本认知，并深入探讨影响系统性能的关键器件的非理想特性。 第一章：电力电子系统概述与发展趋势 本章首先界定了现代电力电子系统在能源转化、传输和利用中的核心地位。内容涵盖了从传统基于工频的交流电机驱动到以高频开关技术为核心的固态电力转换器的技术演进。重点分析了当前电力电子技术面临的挑战，如高功率密度需求、电磁兼容性（EMC）设计、热管理优化以及与可再生能源的深度融合。本章将探讨诸如SiC和GaN等新型宽禁带半导体器件对系统拓扑结构和控制策略的颠覆性影响，并对未来五年内电力电子技术在微电网、电动汽车（EV/HEV）、数据中心电源等前沿领域的应用前景进行展望。 第二章：电力电子器件的先进建模与非理想效应分析 本章不再停留在理想开关器件的假设上，而是深入研究MOSFET、IGBT、以及SiC MOSFET等关键功率器件的精确、动态模型构建。内容包括： 1. 导通损耗（$R_{on}$）与开关损耗（$E_{on}, E_{off}$）的物理机制：详细解析开关瞬态过程中电压和电流波形的过冲、振荡现象的物理根源，特别是高频开关对器件寿命和电磁干扰（EMI）的影响。 2. 温度依赖性建模：探讨器件参数（如阈值电压 $V_{th}$、跨导 $g_m$）随结温变化的非线性行为，并建立考虑热阻抗网络的器件热-电耦合模型，这对于精确预测系统长期可靠性至关重要。 3. 寄生参数对高频性能的影响：分析封装引线电感、芯片内部电容等寄生参数在高频开关下的等效电路行为，以及如何通过PCB布局和封装技术来抑制高频振荡和串联谐振。 --- 第二部分：先进变换器拓扑与系统建模 本部分是本书的核心，专注于介绍复杂电力电子变换器的结构原理、建立精确的数学模型，并为后续的控制设计奠定基础。 第三章：高频开关变换器拓扑结构创新 本章系统梳理了当前主流和新兴的高频软开关（Soft-Switching）和零损耗开关（ZVS/ZCS）变换器拓扑。内容覆盖： 1. 零电压/零电流开关（ZVS/ZCS）技术：详述LLC谐振变换器、移相全桥（PSM）的运行机理、设计优化准则（如工作频率范围、调频调幅策略）及其在隔离电源中的应用。 2. 多电平技术（Multilevel Converters）：深入研究中点钳位（NPC）、飞跨电容（FSC）和级联H桥（CHB）拓扑。重点分析其在实现低谐波失真、降低器件应力方面的优势，并探讨模块化设计和直流电压平衡控制的复杂性。 3. 矩阵变换器（Matrix Converters）的直接交流-交流控制：阐述其无需直流环节的优势，并详细分析输入/输出滤波设计、开关顺序优化以及在电机驱动中的应用。 第四章：基于状态空间方法的动态建模与分析 本章强调使用统一的数学语言描述电力电子系统，这是设计高性能控制器的前提。 1. 平均化状态空间模型（Average State-Space Modeling）：针对PWM控制的开关系统，推导固定和可变频率下的连续时间平均模型，特别关注如何处理开关函数引起的非线性。 2. 注入电流法与端口哈密顿系统（PHS）：引入更深层次的理论工具，用于分析功率流的保守性、系统的稳定性和可控性。PHS方法在无源性分析和鲁棒控制设计中具有独特优势。 3. 小信号模型推导与传递函数分析：演示如何在线性化平均模型的基础上，精确获取关键控制输入（如调制信号或开关函数）到系统输出（如输出电压、电流）的传递函数，为经典控制理论（如根轨迹、波特图分析）的应用奠定基础。 --- 第三部分：高性能数字控制策略与验证 本部分聚焦于现代电力电子系统的实时控制实现，特别是针对非线性和强耦合特性的高级控制算法。 第五章：开关系统的数字控制基础与采样效应 本章侧重于从连续控制向数字实现的转换过程。 1. 采样与保持（S/H）对系统动态的影响：分析离散化对系统稳定裕度和带宽的限制，特别是奈奎斯特频率和采样延迟的实际工程约束。 2. 零阶保持器（ZOH）与一阶保持器（FOH）的准确性比较：量化ZOH引入的相位滞后，并介绍使用FOH或更高级的预测算法来补偿采样效应，以提高高频控制回路的性能。 3. 模数/数模转换器的非线性误差分析：探讨量化噪声、积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）对低噪声或高精度控制回路的影响。 第六章：先进闭环控制算法设计 本章详细介绍了针对特定应用需求的高级控制方法。 1. 滞环电流控制（Hysteresis Control）：分析其无电流纹波、快速动态响应的特性，并深入讨论如何通过变带宽或基于电流预测的改进策略来控制开关频率的抖动（Jitter）。 2. 内环/外环级联控制与解耦技术：针对多输入多输出（MIMO）系统（如三相逆变器），阐述如何利用旋转坐标系（d-q轴）将系统解耦，并设计高带宽的电流环与低带宽的电压/功率环，确保系统稳定性。 3. 滑模控制（SMC）与鲁棒性设计：详细推导基于Lyapunov稳定性的滑模面设计，重点解决传统SMC的抖振（Chattering）问题，并通过引入分数阶滑模或边界层技术实现精确跟踪与强鲁棒性。 4. 模型预测控制（MPC）的实现与优化：介绍MPC在复杂多模式变换器（如级联H桥）中的应用。讨论如何通过权函数矩阵的选择（$Q$和$R$矩阵）平衡输出质量与开关频率，并探讨有限控制集MPC（FCS-MPC）与基于梯度的优化MPC在计算负荷上的权衡。 --- 第四部分：集成化系统验证与优化 本部分强调理论设计在真实系统中的落地与验证，涵盖了热管理和电磁兼容性等关键工程环节。 第七章：电力电子系统的电磁兼容性（EMC）与噪声抑制 本章从系统级层面探讨高频开关带来的噪声问题。 1. 传导与辐射干扰源识别：分析开关节点dv/dt和di/dt峰值如何耦合到PCB走线、电源线和信号线中，形成EMI。 2. 滤波器的设计与优化：详细讲解输入/输出端的EMI滤波器设计原则，包括共模（CM）和差模（DM）噪声的分离处理，以及无源元件（电感、电容）的寄生参数对滤波器高频特性的影响。 3. PCB布局的EMC考量：提供具体的布局指南，如最小化开关回路面积、合理规划地平面（Ground Plane）和电源分配网络（PDN），以有效抑制噪声的产生和传播。 第八章：系统热管理与可靠性评估 本章关注系统的长期运行寿命和安全边界。 1. 瞬态与稳态热网络建模：利用等效电路法（Thermal Impedance Network）建立器件到环境的热模型，重点分析散热器、热界面材料（TIM）的选择与优化。 2. 热-电耦合的闭环仿真策略：介绍如何将器件的电学模型与热模型耦合，模拟长期工作下结温的漂移，从而评估控制参数（如电流限制值）在不同环境温度下的安全性边界。 3. 寿命预测与降额设计（Derating）：基于加速寿命试验（ALT）数据，结合Arrhenius方程，对关键半导体器件和电容的寿命进行量化预测，并制定合理的降额设计标准以确保系统在20年以上的服役周期内保持高可靠性。 --- 本书结构严谨，理论深度足够支撑研究需求，同时兼顾了工程实现中的实际难点，是电力电子领域从理论到实践的桥梁型参考资料。

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这本书的语言风格非常鲜明，它既有学术的严谨性，又不失工程应用上的务实态度。它没有过度纠缠于过于复杂的数学证明，而是将重点放在了如何高效、准确地利用MATLAB解决实际的电工学问题上。比如在处理非线性方程组求解时，它没有仅仅停留在介绍牛拉法，而是详细展示了如何在MATLAB环境下高效配置和运行这些算法，并讨论了不同参数设置对收敛速度的影响。这种侧重于“如何做”的阐述方式，对于正在准备毕业设计或工程项目的学生来说，简直是雪中送炭。它提供的不仅仅是知识点，更是一种解决问题的思维框架和工具箱。读起来丝毫没有压力，更像是在进行一次富有成效的技术研讨会。

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坦白说，我一开始对市面上众多的MATLAB应用类书籍持保留态度，总觉得它们很多都是为了凑字数而堆砌的公式和代码片段。然而，这本《电工学的MATLAB实践》彻底颠覆了我的看法。它的深度和广度都远超预期。书中对特定电力设备（比如变压器、异步电机）的建模部分尤为出色，作者显然在这方面投入了大量心血，模型的准确性和鲁棒性非常高。我尝试用书中的模型去复现我工作中的一些经典案例，结果令人惊喜地发现，仿真结果与实际测量数据吻合度极高。这种基于真实案例的验证，极大地增强了我对书中内容的信任感。这本书的价值，在于它将抽象的电磁理论，成功地“翻译”成了工程界通用的语言——可计算、可验证的仿真模型。

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从一个资深工程师的角度来看，这本书最大的亮点在于它构建了一个非常现代化的学习路径。在传统电工学教材中，很多内容（如电磁场理论的某些部分）往往因为难以可视化而被简化处理。但这本书利用MATLAB强大的绘图和仿真能力，将这些原本晦涩难懂的部分变得直观易懂。例如，对涡流效应的动态模拟展示，比任何二维图示都要来得震撼和清晰。它教会我们如何用现代计算工具去“看”到电磁场的变化，如何预测系统的动态行为，这对于我们进行前瞻性设计至关重要。这本书的价值已经超越了教材范畴，它更像是一份经过时间检验的“高级实战手册”，是提升个人技术含金量的绝佳投资。

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读完这本厚厚的著作，我最大的感受是它在结构编排上的匠心独运。不同于其他教材的枯燥乏味，它似乎更像是一位经验丰富的老工程师在手把手地教你如何用现代工具解决老问题。章节之间的过渡自然流畅，从基础概念的铺陈到高级应用的拓展，读者可以感受到一个完整知识体系的构建过程。尤其让我印象深刻的是它对“实践”二字的诠释，书中每一步推导后紧接着就是相应的MATLAB代码块，这种即时反馈的学习模式极大地提高了学习效率。我过去总觉得理论和实践之间隔着一层看不见的墙，但这本书成功地用代码这座桥梁，将它们紧密地连接起来。如果你是那种喜欢动手操作、不满足于纸上谈兵的学习者，这本书绝对能满足你对“干货”的全部期待。

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这本书的内容广博精深，简直是一本电力系统分析的百科全书。从基础的电路理论到复杂的电力系统潮流计算，再到故障分析和暂态稳定性的探讨，作者的讲解深入浅出，逻辑严密。特别是书中对各种经典算法的MATLAB实现，为我们提供了一个绝佳的学习平台。我记得在学习电力系统稳定性时，书中的仿真模型和参数设置部分，让我对理论知识的理解一下子清晰了很多。那种将抽象的数学模型转化为可执行代码的过程，对于提升实际工程能力有着不可估量的价值。作者对细节的把握令人称赞，即便是初学者也能通过细致的步骤说明，轻松上手复杂的计算任务。这本书无疑是电类专业学生和工程师手中不可或缺的工具书，它不仅仅是理论的罗列，更是实践的指南。

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