本書所涉及的內容是電力電子學方面的重要應用。本書詳細介紹了幾種典型多電平變換器，以及它們的特性、工作原理、改進方法、控制和調制策略等。書中先介紹了簡單的變換器和相應的電路結構，然后在此基礎上不斷拓展出了新的功能和性能更完善的變換器，并比較了它們的優缺點和適用場合，如二極管鉗位多電平變換器、飛跨電容多電平變換器等。后針對書中出現過的變換器，介紹了兩種實際環境中的案例研究與應用。
適讀人群 ：從事電氣及相關技術的工程技術人員、工程師，自動化、電氣工程等專業的大專院校高年級
現代半導體器件已經具有了耐受高電流和高電壓的特性，并且當它們被用于多電平變換器的電路結構中時，它們的功率容量可以被擴展。為了能進行高性能和可靠的控制設計，工程師需要對這些電路拓撲結構的特點和工作原理有深入的理解。本書對使用一個公共直流電壓源的多電平變換器進行了全面和深入的分析，提出了一種新穎的觀點來幫助讀者理解電壓源多電平變換器作為功率處理器時的工作原理，并了解它們的性能和使用限制。本書在一開始對中壓功率變換器和它的應用進行了概述，之后分析了二極管鉗位多電平變換器、飛跨電容多電平變換器和非對稱級聯多電平變換器等電路拓撲的特點。對于每種拓撲，作者都特別突出了控制問題和設計間的權衡。這些變換器也發展出了相應的調制和控制策略。許多的圖像表示法對分析電路拓撲結構提供了幫助，并且對于剛開始分析一種新的多電平變換器的拓撲，這種方法也是很有用的。兩個案例的研究探索了級聯非對稱多電平變換器和二極管鉗位多電平變換器的應用。這些案例研究展示了如何更有效地處理運用了先行控制和調制策略的聯合控制問題。
考察現在的發展，本書在大功率變換器和它們的應用方面提供了深入的研究。一些中壓功率變換器越來越多地運用于工業和能源再生領域，并且可改善分布式發電系統的效率和操作的靈活性。若讀者對這類中壓變換器有興趣，本書將對他們非常具有參考價值。
在本書中，對使用公共直流電壓源的多電平變換器進行了深入并且全面的分析。書中介紹了它們的控制和調制策略并且介紹了它們所具有的特點以及如何進行設計優化。實際上電力電子變換器是現代變換系統的核心，同時，它也是為滿足提高效能、操作靈活的需求應用而生。這也對電力變換器的拓撲、控制方法等方面的技術不斷提出了挑戰。今天，現代的半導體器件可以承受很高的電流和電壓。此外，如果將它們應用于多電平變換器中，其額定功率還會進一步提高。然而想要得到有更高效能和可靠控制的變換器設計，就必須對其拓撲的特點和工作方式有細致的了解。本書的寫作目的就是要對大功率多電平變換器給出深入的講解。本書可作為研究人員、研究生以及對中壓電力變換器感興趣的工程師等人員的參考用書。這種類型的變換器越來越多地應用于一些工業領域中，同時也被用于可再生能源、分布式發電和其他一些依賴于電力處理系統技術的場合。本書共分為7章：第1章，對中壓電力變換器及其應用進行概述。在接下來的4章對不同的多電平變換器進行分析。后兩章對無功諧波補償和中壓電動機驅動這兩種重要的實例進行了分析。第2章，描述了通用的多電平變換器的電路拓撲。這種拓撲是從典型的使用公共直流母線的變換器中衍生得到的。這些典型的變換器包括二極管鉗位多電平變換器和飛跨電容多電平變換器等。通用的電路拓撲和一種新的用于描述變換器不同狀態和它們的電壓水平的圖形表示法一起被引進，用于分析對稱拓撲的共同特點。第3章，分析了二極管鉗位多電平變換器的工作原理并且討論了多電平空間矢量調制。為了能實現變換器的可靠工作，對變換器的內部的一些工作限制給出了說明和解釋。在本章的后，對無源前端變換器的平衡邊界問題給予了說明。第4章，描述了飛跨電容多電平變換器的工作原理。在這里利用時間域模型分析了內部電容的動態特征，以便理解其如何通過移相載波脈寬調制和利用調整平衡網絡來達到自平衡。第5章，呈現了一種新型的非對稱拓撲。這種拓撲使用了混合調制和一個公共直流電源。它被稱為級聯非對稱多電平變換器（CAMC），它具有5種電壓。這種變換器所具有的電壓級數和變換器的狀態之比達到了一個很高的水平。與很多經典的拓撲相比，級聯非對稱多電平變換器的優點是非常明顯的。第6章，展示了一個研究案例。在這個實例中，把級聯非對稱多電平變換器（CAMC）作為一種靜止同步補償器(DSTATCOM)和并聯有源濾波器，分析其工作原理。這種應用是在中壓配電系統中，使用多電平變換器作為一種定制電力裝置，來改善電源性能的重要應用之一。第7章，展示了另一個研究案例。在這個例子中，將二極管鉗位式電路拓撲組成了一種背靠背式鏈接結構的變換器，并分析其工作原理和性能。在這種情況中將預先控制方法引入到了網側變換器及負載端變換器中。本章還在多種工作環境中，對變換器及其控制性能進行了分析。多電平變換器在工業中的應用原 書 前 言多電平變換器在工業中的應用作 者 簡 介作 者 簡 介Sergio Alberto Gonzlez，博士，分別于1992年、2000年及2010年獲得了阿根廷拉普拉塔國立大學（UNLP）電子工程師、工程學碩士及博士學位。他是拉普拉塔國立大學電力電子系教授，并從2000年開始任阿根廷基爾梅斯國立大學（UNQ）電力電子和電動機控制系副教授。1992年，Gonzlez博士加入拉普拉塔國立大學工業電子、控制和儀表實驗室（LEICI）。他的研究方向是電源變換器領域，尤其是直流-直流變換器、諧振變換器、多電平變換器以及它們在柔性交流輸電及電能質量控制中的應用。Santiago Andrés Verne，博士，分別于2003年和2012年獲得了拉普拉塔國立大學電子工程師及工程學博士學位。從2003年開始，他在工業電子、控制和儀表實驗室研究多電平變換器和驅動器。Verne博士現在拉普拉塔國立大學電氣工程系任系主任助理。María Inés Valla，博士，分別于1980年和1994年獲得了拉普拉塔國立大學電子工程師及工程學博士學位。她是拉普拉塔國立大學電氣工程系教授，也是阿根廷國家科學研究中心（CONICET）成員。Valla博士1980年加入拉普拉塔國立大學工業電子、控制和儀表實驗室，并從1998年開始任工業電子、控制和儀表實驗室電力電子組組長。她的研究方向是電力電子和交流變頻器領域。1979年，Valla博士作為學生會員加入電氣電子工程師學會（IEEE）。她曾在不同的崗位任職，包括研究員委員會委員（2012—2013）、道德與會員行為委員會委員（2006—2008）、《IEEE工業電子學匯刊》首席合作主編（2013年至今）、《IEEE工業電子學匯刊》副主編（2007—2012）、工業電子學會（IES）會員活動副主席（2010—2012）以及工業電子學會（IES）管理委員會終身委員（自2010年起）。Valla博士自2007年起成為阿根廷布宜諾斯艾利斯工程院院士，并從2010年起成為IEEE會士。過電應力（EOS）器件、 電路與系統致謝致謝我要感謝多年來SEMATECH、ESD協會、IEEE和JEDEC組織給予我的支持。我還要感謝IBM公司、Qimonda(奇夢達)公司、臺積電公司（TSMC）、Intersil公司和三星電子公司。我很有幸能與大量的技術小組和許多客戶共同工作。我也很有幸能夠成為極富創新、智慧和創造力的技術設計團隊中的一員。我要感謝那些允許我在會議、論壇、工業界及大學里授課、開講座的機構,這為我撰寫本書提供了動力。我要感謝一下大學里的教職員工們：麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學、中佛羅里達大學（UCF）、伊利諾伊大學香檳分校（UIUC）、加州大學河濱分校（UCR）、布法羅大學、臺灣交通大學、清華大學、臺灣科技大學、新加坡國立大學（NUS）、南洋理工大學（NTU）、北京大學、復旦大學、上海交通大學、浙江大學、華中科技大學（HUST）、電子科技大學（UESTC）、馬來西亞理科大學（USM）、馬來西亞博特拉大學（UPM）、馬來西亞伯樂學院（KDU）、朱拉隆功大學、馬漢科理工大學、泰國國立農業大學、泰國國立法政大學、高麗大學和菲律賓瑪布亞科技學院（MIT）。我還要感謝在多年來提供給我支持和機會，讓我開辦講座、邀請報告和指導的EOS/ESD、IEEE可靠性物理國際研討會(IRPS)、臺灣ESD國際會議(T-ESDC)、國際電子器件會議(IEDM)、固態電子與集成電路技術國際會議(ICSICT)、物理與失效分析國際會議(IPFA)、IEEE ASICON，以及IEEE智能信號處理及通信系統國際會議(ISPACS)等。我還要感謝22年來在ESD領域的好友：MingDouKer教授、J.J.Liou教授、AlbertWang教授、ElyseRosenbaum教授、TimothyJ.Maloney、CharvakaDuvvury、EugeneWorley、RobertAshton、YehudaSmooha、VladislavVashchenko、AnnConcannon、AlbertWallash、VessilinVassilev、WarrenAnderson、MarieDenison、AlanRighter、AndrewOlney、BruceAtwood、JonBarth、EvanGrund、DavidBennett、TomMeuse、MichaelHopkins、YoonHuh、JinMin、JeffreyDunnihoo、KeichiHasegawa、TeruoSuzuki、HanGuKim、KitaeLee、NathanPeachey、KathyMuhonen、AugustoTazzoli、GaudenzioMenneghesso、MariseBaFleur、JeremySmith、NishaRam、SweeK.Lau、TomDiep、LifangLou、StephenBeebe、MichaelChaine、PeeYaTan、TheoSmedes、MarkusMergens、ChristianRuss、HaroldGossner、WolfgangStadler、MingHsiangSong、J.C.Tseng、J.H.Lee、MichaelWu、ErinLiao、StephenGaul、Jean-MichelTschann、TzeWeeChen、ShuQingCao、SlavicaMalobabic、DavidEllis、BlerinaAliaj、LinLin、DavidSwenson、DonnBellmore、EdChase、DougSmith、W.Greason、StephenHalperin、TomAlbano、TedDangelmayer、TerryWelsher、JohnKinnear和RonGibson.我還要感謝ESD協會為我在出版界、標準建立和會議活動中提供的支持。同時要感謝出版商和JohnWiley&Sons的工作人員，幫助我將本書列為ESD系列書籍的一部分。致我的孩子們，AaronSamuelVoldman和RachelPeshaVoldman,祝你們未來好運。致我的妻子，AnnieBrownVoldman，謝謝你多年來對我的工作的支持。致我的父母，Carl和BlossomVoldman。BaruchHaShemStevenHVoldmanIEEEFellow博士在本書中，對使用公共直流電壓源的多電平變換器進行了深入并且全面的分析。書中介紹了它們的控制和調制策略并且介紹了它們所具有的特點以及如何進行設計優化。實際上電力電子變換器是現代變換系統的核心，同時，它也是為滿足提高效能、操作靈活的需求應用而生。這也對電力變換器的拓撲、控制方法等方面的技術不斷提出了挑戰。今天，現代的半導體器件可以承受很高的電流和電壓。此外，如果將它們應用于多電平變換器中，其額定功率還會進一步提高。然而想要得到有更高效能和可靠控制的變換器設計，就必須對其拓撲的特點和工作方式有細致的了解。本書的寫作目的就是要對大功率多電平變換器給出深入的講解。本書可作為研究人員、研究生以及對中壓電力變換器感興趣的工程師等人員的參考用書。這種類型的變換器越來越多地應用于一些工業領域中，同時也被用于可再生能源、分布式發電和其他一些依賴于電力處理系統技術的場合。本書共分為7章：第1章，對中壓電力變換器及其應用進行概述。在接下來的4章對不同的多電平變換器進行分析。后兩章對無功諧波補償和中壓電動機驅動這兩種重要的實例進行了分析。第2章，描述了通用的多電平變換器的電路拓撲。這種拓撲是從典型的使用公共直流母線的變換器中衍生得到的。這些典型的變換器包括二極管鉗位多電平變換器和飛跨電容多電平變換器等。通用的電路拓撲和一種新的用于描述變換器不同狀態和它們的電壓水平的圖形表示法一起被引進，用于分析對稱拓撲的共同特點。第3章，分析了二極管鉗位多電平變換器的工作原理并且討論了多電平空間矢量調制。為了能實現變換器的可靠工作，對變換器的內部的一些工作限制給出了說明和解釋。在本章的后，對無源前端變換器的平衡邊界問題給予了說明。第4章，描述了飛跨電容多電平變換器的工作原理。在這里利用時間域模型分析了內部電容的動態特征，以便理解其如何通過移相載波脈寬調制和利用調整平衡網絡來達到自平衡。第5章，呈現了一種新型的非對稱拓撲。這種拓撲使用了混合調制和一個公共直流電源。它被稱為級聯非對稱多電平變換器（CAMC），它具有5種電壓。這種變換器所具有的電壓級數和變換器的狀態之比達到了一個很高的水平。與很多經典的拓撲相比，級聯非對稱多電平變換器的優點是非常明顯的。第6章，展示了一個研究案例。在這個實例中，把級聯非對稱多電平變換器（CAMC）作為一種靜止同步補償器(DSTATCOM)和并聯有源濾波器，分析其工作原理。這種應用是在中壓配電系統中，使用多電平變換器作為一種定制電力裝置，來改善電源性能的重要應用之一。第7章，展示了另一個研究案例。在這個例子中，將二極管鉗位式電路拓撲組成了一種背靠背式鏈接結構的變換器，并分析其工作原理和性能。在這種情況中將預先控制方法引入到了網側變換器及負載端變換器中。本章還在多種工作環境中，對變換器及其控制性能進行了分析。多電平變換器在工業中的應用原 書 前 言多電平變換器在工業中的應用作 者 簡 介作 者 簡 介Sergio Alberto Gonzlez，博士，分別于1992年、2000年及2010年獲得了阿根廷拉普拉塔國立大學（UNLP）電子工程師、工程學碩士及博士學位。他是拉普拉塔國立大學電力電子系教授，并從2000年開始任阿根廷基爾梅斯國立大學（UNQ）電力電子和電動機控制系副教授。1992年，Gonzlez博士加入拉普拉塔國立大學工業電子、控制和儀表實驗室（LEICI）。他的研究方向是電源變換器領域，尤其是直流-直流變換器、諧振變換器、多電平變換器以及它們在柔性交流輸電及電能質量控制中的應用。Santiago Andrés Verne，博士，分別于2003年和2012年獲得了拉普拉塔國立大學電子工程師及工程學博士學位。從2003年開始，他在工業電子、控制和儀表實驗室研究多電平變換器和驅動器。Verne博士現在拉普拉塔國立大學電氣工程系任系主任助理。María Inés Valla，博士，分別于1980年和1994年獲得了拉普拉塔國立大學電子工程師及工程學博士學位。她是拉普拉塔國立大學電氣工程系教授，也是阿根廷國家科學研究中心（CONICET）成員。Valla博士1980年加入拉普拉塔國立大學工業電子、控制和儀表實驗室，并從1998年開始任工業電子、控制和儀表實驗室電力電子組組長。她的研究方向是電力電子和交流變頻器領域。1979年，Valla博士作為學生會員加入電氣電子工程師學會（IEEE）。她曾在不同的崗位任職，包括研究員委員會委員（2012—2013）、道德與會員行為委員會委員（2006—2008）、《IEEE工業電子學匯刊》首席合作主編（2013年至今）、《IEEE工業電子學匯刊》副主編（2007—2012）、工業電子學會（IES）會員活動副主席（2010—2012）以及工業電子學會（IES）管理委員會終身委員（自2010年起）。Valla博士自2007年起成為阿根廷布宜諾斯艾利斯工程院院士，并從2010年起成為IEEE會士。過電應力（EOS）器件、 電路與系統致謝致謝我要感謝多年來SEMATECH、ESD協會、IEEE和JEDEC組織給予我的支持。我還要感謝IBM公司、Qimonda(奇夢達)公司、臺積電公司（TSMC）、Intersil公司和三星電子公司。我很有幸能與大量的技術小組和許多客戶共同工作。我也很有幸能夠成為極富創新、智慧和創造力的技術設計團隊中的一員。我要感謝那些允許我在會議、論壇、工業界及大學里授課、開講座的機構,這為我撰寫本書提供了動力。我要感謝一下大學里的教職員工們：麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學、中佛羅里達大學（UCF）、伊利諾伊大學香檳分校（UIUC）、加州大學河濱分校（UCR）、布法羅大學、臺灣交通大學、清華大學、臺灣科技大學、新加坡國立大學（NUS）、南洋理工大學（NTU）、北京大學、復旦大學、上海交通大學、浙江大學、華中科技大學（HUST）、電子科技大學（UESTC）、馬來西亞理科大學（USM）、馬來西亞博特拉大學（UPM）、馬來西亞伯樂學院（KDU）、朱拉隆功大學、馬漢科理工大學、泰國國立農業大學、泰國國立法政大學、高麗大學和菲律賓瑪布亞科技學院（MIT）。我還要感謝在多年來提供給我支持和機會，讓我開辦講座、邀請報告和指導的EOS/ESD、IEEE可靠性物理國際研討會(IRPS)、臺灣ESD國際會議(T-ESDC)、國際電子器件會議(IEDM)、固態電子與集成電路技術國際會議(ICSICT)、物理與失效分析國際會議(IPFA)、IEEE ASICON，以及IEEE智能信號處理及通信系統國際會議(ISPACS)等。我還要感謝22年來在ESD領域的好友：MingDouKer教授、J.J.Liou教授、AlbertWang教授、ElyseRosenbaum教授、TimothyJ.Maloney、CharvakaDuvvury、EugeneWorley、RobertAshton、YehudaSmooha、VladislavVashchenko、AnnConcannon、AlbertWallash、VessilinVassilev、WarrenAnderson、MarieDenison、AlanRighter、AndrewOlney、BruceAtwood、JonBarth、EvanGrund、DavidBennett、TomMeuse、MichaelHopkins、YoonHuh、JinMin、JeffreyDunnihoo、KeichiHasegawa、TeruoSuzuki、HanGuKim、KitaeLee、NathanPeachey、KathyMuhonen、AugustoTazzoli、GaudenzioMenneghesso、MariseBaFleur、JeremySmith、NishaRam、SweeK.Lau、TomDiep、LifangLou、StephenBeebe、MichaelChaine、PeeYaTan、TheoSmedes、MarkusMergens、ChristianRuss、HaroldGossner、WolfgangStadler、MingHsiangSong、J.C.Tseng、J.H.Lee、MichaelWu、ErinLiao、StephenGaul、Jean-MichelTschann、TzeWeeChen、ShuQingCao、SlavicaMalobabic、DavidEllis、BlerinaAliaj、LinLin、DavidSwenson、DonnBellmore、EdChase、DougSmith、W.Greason、StephenHalperin、TomAlbano、TedDangelmayer、TerryWelsher、JohnKinnear和RonGibson.我還要感謝ESD協會為我在出版界、標準建立和會議活動中提供的支持。同時要感謝出版商和JohnWiley&Sons的工作人員，幫助我將本書列為ESD系列書籍的一部分。致我的孩子們，AaronSamuelVoldman和RachelPeshaVoldman,祝你們未來好運。致我的妻子，AnnieBrownVoldman，謝謝你多年來對我的工作的支持。致我的父母，Carl和BlossomVoldman。BaruchHaShemStevenH.VoldmanIEEEFellow博士
譯者序
原書前言
作者簡介
第1章緒言1
1.1簡介1
1.2中壓電力變換器1
1.3多電平變換器2
1.3.1對稱拓撲4
1.3.2非對稱拓撲5
1.4應用6
1.4.1電能質量改善6
1.4.2可再生能源接入7
1.4.3變速器8
1.5本書目標8
參考文獻9
第2章多電平拓撲14
2.1簡介14
2.2使用公共直流母線的通用拓撲15
2.2.1基本電路單元15
2.2.2通用拓撲特點16
2.2.3三電平通用拓撲18
2.3由通用拓撲衍生出的變換器20
2.3.1二極管鉗位拓撲21
2.3.2飛跨電容拓撲32
2.4無公共直流環節的對稱拓撲36
2.4.1五電平串聯單元多電平變換器36
2.5對稱拓撲總結38
2.6非對稱拓撲40
2.6.1混合非對稱拓撲40
2.6.2不同拓撲的組合電路43
2.6.3級聯非對稱多電平變換器45
2.7小結47
參考文獻48
第3章二極管鉗位多電平變換器50
3.1簡介50
3.2變換器結構和功能說明50
3.2.1電壓鉗位51
3.2.2轉換邏輯52
3.3多電平變換器的調制68
3.3.1多電平空間矢量調制71
3.4電壓平衡控制80
3.4.1電容電壓計算80
3.4.2電壓平衡優化82
3.4.3流程83
3.5二極管鉗位多電平變換器中電壓平衡的有效性邊界84
3.6性能效果89
3.7小結93
參考文獻94
第4章飛跨電容多電平變換器95
4.1簡介95
4.2飛跨電容電路拓撲95
4.2.1在飛跨電容上的電荷平衡96
4.3飛跨電容多電平變換器的調制方案98
4.3.1相移載波脈沖寬度調制98
4.4飛跨電容多電平變換器的動態電壓平衡102
4.4.1動態模型102
4.4.2調整平衡網絡104
4.5小結111
參考文獻112
第5章級聯非對稱多電平變換器113
5.1簡介113
5.2級聯非對稱多電平變換器電路的一般特性113
5.2.1調制策略114
5.2.2平均電壓116
5.3級聯非對稱多電平變換器三相逆變器117
5.3.1直流母線中的平均電流117
5.3.2共模電流122
5.3.3差模諧波電流125
5.4五電平電路拓撲的比較132
5.4.1二極管鉗位多電平變換器132
5.4.2飛跨電容多電平變換器133
5.4.3級聯單元多電平變換器133
5.4.4級聯非對稱多電平變換器133
5.5小結134
參考文獻134
第6章案例研究一：由級聯非對稱多電平變換器構成的靜止同步補償器136
6.1簡介136
6.2補償原理136
6.3級聯非對稱多電平變換器模型138
6.3.1電流控制142
6.4無功功率和諧波補償145
6.4.1系統模型146
6.4.2無功補償147
6.4.3諧波電流補償150
6.5小結154
參考文獻155
第7章案例研究二：建立在二極管鉗位多電平變換器上的中壓
電動機驅動156
7.1簡介156
7.2背靠背式二極管鉗位多電平變換器157
7.3背靠背連接的二極管鉗位多電平變換器統一預測控制器在感應電動機
驅動中的應用160
7.3.1背靠背二極管鉗位多電平變換器的控制160
7.3.2負載變換器：預測轉矩控制162
7.3.3網側變換器：預測功率控制166
7.3.4變換過渡約束169
7.4性能評估170
7.4.1機械負載變化171
7.4.2電壓凹陷172
7.4.3能量回收174
7.4.4直流母線平衡算法的效能175
7.5小結178
參考文獻179
新書資訊