前言

目前，汽车的电动化、智能化和网联化技术正在蓬勃发展，电动化技术不仅能够为汽车智能化和网联化提供一个线控灵活、供电柔性和架构革新的机电一体化车辆平台，而且是道路交通绿色可持续发展的关键技术。新能源汽车是汽车电动化技术设计、开发和集成的典型代表，而电力电子的理论和方法是汽车电动化技术发展和创新的基础性知识。因此，针对新能源汽车的应用条件和集成环境，研究电力电子技术的理论和方法，能够更好地推动汽车电动化、智能化和网联化技术的高质量发展和创新。

一般工业应用领域或新能源电力场景的输入为正弦交流电源，而新能源汽车以如锂离子电池、燃料电池等车载直流电压源为各电力电子设备或装置的输入电源，因此车载电力电子设备的直流链路采用电压型拓扑。车载充电设备为电网交流电源与车载蓄电池交互电能设备，其中的单相电源是车载充电设备的常用输入电源。因此，本书的案例以电压型电路为主介绍电力电子技术的理论和方法。新能源汽车低压电气系统的直流电压标称值为12V、24V或48V，高压电气系统的直流电压标称值通常在300～800V之间。

针对新能源汽车电驱动系统、低电压设备和车载充电装置的核心技术，本书分章阐述了DC-DC变频电路、逆变电路和整流电路的工作原理和调节方法。由于车载脉冲变压器及其DC-DC隔离变换器不可或缺，所以单独成章介绍车载常用的DC-DC隔离变换器的电路组成、控制方法和性能影响因素。V2G（vehicle to grid）是分布式电力系统的一个重要发展方向，相应车载充电设备的关键组成是DC-DC隔离变换电路和PWM整流电路，而且逆变技术是PWM整流电路工作的基础，因此在DC-DC隔离变换电路和逆变电路两章之后介绍单相整流电路的内容，其中包含了PWM整流器的结构组成、工作原理和控制方法的内容。最后一章，介绍三相交流永磁同步电机控制技术，将逆变、直流变换和整流技术融合应用在车载电力电子系统中，叙述纯电动汽车电力电子系统的建模与仿真方法。

无论是DC-DC变换电路、逆变电路还是整流电路，这些技术都蕴含普适而又专业的原理和方法，涉及典型拓扑、基本概念和专业名词，它们是理解电力电子技术的基础性知识。因此，在第1章和第2章介绍相关内容，比如电路波形、功率半导体器件类型及其应用特性、硬开关、理想开关、RLC负载开关过程、零电压开关、零电流开关、续流、换流、脉宽调制、直流斩波、直流开关、周期稳态、状态平均、等效热路等。

通过对本书的阅读，使读者熟悉电阻 R 、电感 L 和电容 C 的特性，掌握功率半导体器件导通和截止的机理，运用电路定律，定性分析电力电子电路各种开关状态组合的电压回路和电流路径，列出各回路的电压方程和电流方程，定量分析电路的电压和电流行为。例如，开关的导通或截止过程出现的振荡电压、电流，可通过建立并求解二阶RLC振荡方程，计算电路电压或电流的振荡频率和幅值，掌握电路的谐振行为。进而，利用开关的振荡电压或电流的波谷时刻，降低开关导通或截止过程的开关损耗，理解零电压开关和零电流开关的本质。

本书根据纹波系数、总畸变率、功率因数、超调量或系统效率等指标，评估电力电子电路的性能，分析开关频率、占空比、开关压降或负载大小等因素对电力电子电路性能的影响。例如，研究脉冲变压器的漏磁、功率半导体器件寄生参数和调制方法对DC-DC隔离变换器周期稳态输出电压大小的影响。采用快速傅里叶变换分析电力电子电路负载电压和电流的频谱，对比单极性和双极性正弦脉宽调制的单相电压型逆变电路的谐波特性，或对比正弦脉宽调制和空间电压矢量脉宽调制的三相电压型逆变电路的谐波特性。

为了提高书籍的可读性，作者设计了多个案例用于解释典型电力电子电路的工作原理，力图帮助读者理解电力电子技术。为了提高内容的可实践性，作者购买了专业的电力电子软件PSIM，借鉴了PSIM软件模型库，开发了典型电力电子基础电路和纯电动汽车电力电子系统的PSIM模型，包括元件模型参数的设置，循序渐进地描述电路的建模、调试和分析方法，希望便于读者掌握电力电子电路的工作原理和一般性分析方法，并且有助于读者构建电力电子电路设计与开发的基本流程。

需要说明的是，由于软件显示的原因，本书截屏图中物理量符号的形式和正文中有所区别，通常在截屏图中为正体平排，在正文中参与计算或表示参数值时为斜体（有的还含下角）的形式。例如：图中的R在公式中为 R ，图中的Us在公式中为 U _s ，图中的Io在公式中为 I _o 。

新能源汽车的研究、开发、应用、推广和市场化发展，依赖掌握电力电子知识的工程师的积极参与。然而，以车辆工程或机械工程为专业背景的工程师的电力电子知识相对较少。问题在于：其一，电力电子技术的学科知识交叉，知识实践性强，应用场景多；其二，电力电子技术定量描述少，理论晦涩难懂；其三，相关专业的课时少，教学引导不足。因此，投入时间和精力，开展电力电子理论的实践性学习，对于一名有兴趣掌握电力电子知识的大学生或工程师来说，是至关重要的一个环节。

因水平有限和时间仓促，本书的模型案例尚未经过充分地实验验证，相关阐述难免出现疏漏、错误和不足之处，诚恳希望读者批评和指正。感谢本书撰写时所参考文献和书籍的作者，感谢Powersim软件公司及其相关工作人员的帮助，感谢北京理工大学电动车辆国家工程研究中心的大力支持。

著者