前言

目前，汽車的電動化、智能化和網聯化技術正在蓬勃發展，電動化技術不僅能夠為汽車智能化和網聯化提供一個線控靈活、供電柔性和架構革新的機電一體化車輛平臺，而且是道路交通綠色可持續發展的關鍵技術。新能源汽車是汽車電動化技術設計、開發和集成的典型代表，而電力電子的理論和方法是汽車電動化技術發展和創新的基礎性知識。因此，針對新能源汽車的應用條件和集成環境，研究電力電子技術的理論和方法，能夠更好地推動汽車電動化、智能化和網聯化技術的高質量發展和創新。

一般工業應用領域或新能源電力場景的輸入為正弦交流電源，而新能源汽車以如鋰離子電池、燃料電池等車載直流電壓源為各電力電子設備或裝置的輸入電源，因此車載電力電子設備的直流鏈路采用電壓型拓撲。車載充電設備為電網交流電源與車載蓄電池交互電能設備，其中的單相電源是車載充電設備的常用輸入電源。因此，本書的案例以電壓型電路為主介紹電力電子技術的理論和方法。新能源汽車低壓電氣系統的直流電壓標稱值為12V、24V或48V，高壓電氣系統的直流電壓標稱值通常在300～800V之間。

針對新能源汽車電驅動系統、低電壓設備和車載充電裝置的核心技術，本書分章闡述了DC-DC變頻電路、逆變電路和整流電路的工作原理和調節方法。由于車載脈沖變壓器及其DC-DC隔離變換器不可或缺，所以單獨成章介紹車載常用的DC-DC隔離變換器的電路組成、控制方法和性能影響因素。V2G（vehicle to grid）是分布式電力系統的一個重要發展方向，相應車載充電設備的關鍵組成是DC-DC隔離變換電路和PWM整流電路，而且逆變技術是PWM整流電路工作的基礎，因此在DC-DC隔離變換電路和逆變電路兩章之后介紹單相整流電路的內容，其中包含了PWM整流器的結構組成、工作原理和控制方法的內容。最后一章，介紹三相交流永磁同步電機控制技術，將逆變、直流變換和整流技術融合應用在車載電力電子系統中，敘述純電動汽車電力電子系統的建模與仿真方法。

無論是DC-DC變換電路、逆變電路還是整流電路，這些技術都蘊含普適而又專業的原理和方法，涉及典型拓撲、基本概念和專業名詞，它們是理解電力電子技術的基礎性知識。因此，在第1章和第2章介紹相關內容，比如電路波形、功率半導體器件類型及其應用特性、硬開關、理想開關、RLC負載開關過程、零電壓開關、零電流開關、續流、換流、脈寬調制、直流斬波、直流開關、周期穩態、狀態平均、等效熱路等。

通過對本書的閱讀，使讀者熟悉電阻R、電感L和電容C的特性，掌握功率半導體器件導通和截止的機理，運用電路定律，定性分析電力電子電路各種開關狀態組合的電壓回路和電流路徑，列出各回路的電壓方程和電流方程，定量分析電路的電壓和電流行為。例如，開關的導通或截止過程出現的振蕩電壓、電流，可通過建立并求解二階RLC振蕩方程，計算電路電壓或電流的振蕩頻率和幅值，掌握電路的諧振行為。進而，利用開關的振蕩電壓或電流的波谷時刻，降低開關導通或截止過程的開關損耗，理解零電壓開關和零電流開關的本質。

本書根據紋波系數、總畸變率、功率因數、超調量或系統效率等指標，評估電力電子電路的性能，分析開關頻率、占空比、開關壓降或負載大小等因素對電力電子電路性能的影響。例如，研究脈沖變壓器的漏磁、功率半導體器件寄生參數和調制方法對DC-DC隔離變換器周期穩態輸出電壓大小的影響。采用快速傅里葉變換分析電力電子電路負載電壓和電流的頻譜，對比單極性和雙極性正弦脈寬調制的單相電壓型逆變電路的諧波特性，或對比正弦脈寬調制和空間電壓矢量脈寬調制的三相電壓型逆變電路的諧波特性。

為了提高書籍的可讀性，作者設計了多個案例用于解釋典型電力電子電路的工作原理，力圖幫助讀者理解電力電子技術。為了提高內容的可實踐性，作者購買了專業的電力電子軟件PSIM，借鑒了PSIM軟件模型庫，開發了典型電力電子基礎電路和純電動汽車電力電子系統的PSIM模型，包括元件模型參數的設置，循序漸進地描述電路的建模、調試和分析方法，希望便于讀者掌握電力電子電路的工作原理和一般性分析方法，并且有助于讀者構建電力電子電路設計與開發的基本流程。

需要說明的是，由于軟件顯示的原因，本書截屏圖中物理量符號的形式和正文中有所區別，通常在截屏圖中為正體平排，在正文中參與計算或表示參數值時為斜體（有的還含下角）的形式。例如：圖中的R在公式中為R，圖中的Us在公式中為U_s，圖中的Io在公式中為I_o。

新能源汽車的研究、開發、應用、推廣和市場化發展，依賴掌握電力電子知識的工程師的積極參與。然而，以車輛工程或機械工程為專業背景的工程師的電力電子知識相對較少。問題在于：其一，電力電子技術的學科知識交叉，知識實踐性強，應用場景多；其二，電力電子技術定量描述少，理論晦澀難懂；其三，相關專業的課時少，教學引導不足。因此，投入時間和精力，開展電力電子理論的實踐性學習，對于一名有興趣掌握電力電子知識的大學生或工程師來說，是至關重要的一個環節。

因水平有限和時間倉促，本書的模型案例尚未經過充分地實驗驗證，相關闡述難免出現疏漏、錯誤和不足之處，誠懇希望讀者批評和指正。感謝本書撰寫時所參考文獻和書籍的作者，感謝Powersim軟件公司及其相關工作人員的幫助，感謝北京理工大學電動車輛國家工程研究中心的大力支持。

著者