本书作为电力电子方向的特色专业教材，为电力电子技术从理论学习到真正工程实践提供衔接。本书深入分析电力电子器件的内部构造，解读器件的典型参数，揭示硬开关机理，系统梳理软开关技术。全书共7章，可分为4部分：①电力电子器件基础，即第1～3章，主要介绍电力电子器件的内部结构和等效电路模型、模块封装、电气特性等；②电力电子器件参数及其测试，即第4章，介绍电力电子器件数据手册及其基本测试方法；③电力电子硬开关和软开关技术，即第5、6章，介绍常见缓冲电路和软开关技术；④软开关技术的应用，即第7章，着重介绍移相控制ZVS全桥变换器及LLC谐振变换器的软开关实现方法。
本书可作为高等学校电力电子方向专业综合设计与实践等相关课程的教学参考书，亦可作为电力电子领域工程技术人员的参考书。

本书遵循教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。

电力电子技术是利用功率半导体器件,对电能进行高效变换和控制的一门技术。作为构成电力电子装置和系统的基本要素之一,电力电子器件起着类似于电气开关的作用。传统电力电子技术教材通常把该类器件视作理想开关以简化理论分析,然而实际电力电子器件的开通和关断并非瞬间完成,而是呈现出特定的开关过程,在此期间电压和电流存在交叠区,导致了电力电子器件的开关损耗和硬开关现象。近年来,随着以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带电力电子器件技术日趋成熟,高频化逐渐成为电力电子技术领域的一大主流趋势,对电力电子器件开关特性的正确认识和软开关技术需求迫切。
作为电力电子方向的特色专业教材,本书将致力于衔接电力电子技术理论学习与工程实践。本书涵盖了电力电子器件理论特性和工艺基础、参数解读和测量、缓冲电路和软开关技术及应用等内容,并注重电力电子器件相关理论和技术的系统性,深入浅出地梳理了电力电子器件开关现象背后的基础理论、分析方法和对策。本书主要特色如下:
(1)从电力电子器件的内部结构出发,在对电力二极管、晶闸管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等传统硅基器件的电气特性介绍基础上,引入了碳化硅、氮化镓等新型宽禁带电力电子器件,详细介绍了上述电力电子器件的模块封装技术,为广大读者提供设计参考。
(2)为帮助研究人员对电力电子器件的合理使用,本书详细介绍了电力电子器件数据手册解读方法,系统梳理了手册中的各类极限参数、推荐参数、特性曲线以及典型器件参数的基本测试方法,从而为掌握电力电子器件的电气特性和使用方法提供参考。
(3)为缓解电力电子器件开关过程中存在的电气应力和开关损耗问题,本书引入了缓冲电路和软开关技术两类措施。前者重点介绍了RCD缓冲电路、RLD缓冲电路及无损缓冲电路,后者则系统介绍了准谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器及有源钳位电路。上述措施能够有效减小电力电子器件电压及电流的交叠区,实现软开关的同时提高系统运行效率。
本书由杨晓峰和宁圃奇共同编写,其中第1、2章由宁圃奇编写,第3~7章由杨晓峰编写,杨晓峰对全书内容进行了统稿和反复修改,北京交通大学电力电子研究所的博士研究生刘妍,硕士研究生谭海霞、牟雯弢、廖李昕等共同参与了相关图表和材料的整理工作。在本书编写过程中,编者参考了国内外有关单位和学者的著作和文章,并获得了北京大华无线电仪器有限责任公司的资金支持,在此谨表衷心感谢。
由于编者水平有限,书中难免有疏漏不妥之处,敬请读者批评指正。
编　者

高等院校教师

前言
第1章?电力电子器件基础 1
1.1　半导体材料基础 3
1.2　常规硅基电力电子器件 5
1.2.1?电力二极管 6
1.2.2?晶闸管及其衍生器件 12
1.2.3?电力场效应晶体管 18
1.2.4?绝缘栅双极型晶体管 24
1.2.5?其他硅基电力电子器件 31
1.3　宽禁带电力电子器件 35
1.3.1?碳化硅肖特基势垒二极管 36
1.3.2?碳化硅场效应晶体管 38
1.3.3?氮化镓电力电子器件 39
1.3.4?宽禁带电力电子器件的应用 40
1.3.5　宽禁带电力电子器件带来的技术
进步 41
习题 43
第 2章?电力电子器件模块封装 44
2.1　电力电子器件模块封装基础 44
2.1.1　键合型功率模块封装结构和
材料 44
2.1.2?键合型功率模块封装工艺 49
2.1.3?智能功率模块 51
2.1.4?平面型功率模块 51
2.1.5?压接型功率模块 52
2.2　碳化硅器件封装 53
2.3　氮化镓器件封装 54
习题 56
第3章?电力电子器件的电气特性 57
3.1　电力二极管的电气特性 57
3.1.1?电力二极管的主要参数 57
3.1.2?电力二极管的动态特性 58
3.2　IGBT的电气特性 59
3.2.1?IGBT的主要参数 59
3.2.2?IGBT的开通过程 60
3.2.3?IGBT的关断过程 65
3.2.4?IGBT的安全工作区 68
3.2.5?IGBT的米勒效应 69
3.2.6?IGBT的阻断特性 70
3.2.7?IGBT的雪崩击穿特性 71
习题 72
第4章　电力电子器件的参数及测试
基础 73
4.1　解读电力电子器件的数据手册 73
4.1.1?极限参数 73
4.1.2?推荐参数 76
4.1.3?特性曲线 81
4.1.4?封装信息 83
4.2　动态参数的测试 84
4.2.1?双脉冲测试方法 84
4.2.2?双脉冲测试的注意事项 87
4.2.3?双脉冲测试参数的设定 90
4.3　电力电子器件动态测试平台的构建 92
4.3.1?双脉冲测试平台 92
4.3.2?短路测试平台 97
习题 100
第5章　电力电子器件的硬开关及
缓冲电路 101
5.1　理想开关过程 101
5.2　电力电子器件的硬开关过程 102
5.2.1　硬开关过程 102
5.2.2　硬开关问题的解决 105
5.3　缓冲电路 106
5.3.1　RCD缓冲电路 106
5.3.2　RLD缓冲电路 111
5.3.3　无损关断缓冲电路 115
5.3.4　无损开通缓冲电路 118
习题 120
第6章?电力电子软开关技术 121
6.1　软开关技术 121
6.1.1　软开关的概念 121
6.1.2　软开关技术的分类 122
6.2　软开关技术的分析基础 123
6.2.1　状态轨迹法 123
6.2.2　基波分量近似法 128
6.3　准谐振变换器 130
6.3.1　准谐振开关单元 130
6.3.2　零电压开关准谐振电路 132
6.3.3　零电流开关准谐振电路 141
6.3.4　零电压开关多谐振电路 151
6.4　零开关PWM变换器 158
6.4.1　零开关PWM开关单元 159
6.4.2　零电压PWM变换器 162
6.4.3　零电流PWM变换器 168
6.5　零转换PWM变换器 175
6.5.1　零转换PWM开关单元 176
6.5.2　零电压转换PWM变换器 178
6.5.3　零电流转换PWM变换器 184
6.6　有源钳位电路及其实现 192
6.6.1　有源钳位ZVS PWM正激
变换器 192
6.6.2　有源钳位ZVS PWM反激
变换器 202
习题 211
第7章?电力电子软开关应用技术 212
7.1　移相控制ZVS全桥变换器 212
7.1.1　工作原理 212
7.1.2　软开关条件 218
7.2　全桥LLC谐振变换器 222
7.2.1　工作原理 222
7.2.2　基于基波分量近似法的简化
电路 228
7.2.3　输出输入电压传输比 230
习题 233
参考文献 234