高大威编著的《汽车电力电子学(清华大学汽车工程系列教材)》系统地介绍了汽车电力电子器件的结构、原理、特性、使用方法以及汽车电力电子系统或部件的组成、工作原理、控制方法等。内容包括：汽车电力电子技术的特点和发展趋势；汽车电力电子器件的结构、原理和特性；汽车电力电子器件的失效机理与使用方法；传统汽车中的电力电子技术；电动汽车直流一直流变换器、电动汽车驱动电机系统以及电动汽车充电系统的组成、工作原理和控制方法；汽车电力电子系统或部件的电磁兼容问题。
本书可作为高等院校车辆工程、机械工程、交通运输等专业本科生和研究生的教材或参考书，也可作为相关科研机构和汽车行业技术人员的参考书。

1 绪论
1.1 概述
1.2 汽车电力电子学的发展历程
1.3 汽车电力电子学的应用领域
1.3.1 传统汽车上的应用
1.3.2 新能源汽车上的应用
1.4 汽车电力电子技术的特点和发展趋势
1.4.1 汽车电力电子技术的特点
1.4.2 汽车电力电子技术的发展趋势
2 汽车电力电子器件
2.1 汽车电力电子器件概述
2.2 半导体物理基础
2.2.1 半导体中的电子状态和能带
2.2.2 禁带宽度与宽禁带半导体材料
2.2.3 本征浓度
2.2.4 掺杂与杂质半导体
2.2.5 载流子的漂移与扩散
2.2.6 载流子的激发与复合
2.2.7 PN结理论
2.2.8 金属和半导体接触理论
2.3 功率二极管
2.3.1 功率PIN二极管
2.3.2 功率肖特基势垒二极管
2.3.3 功率混合PIN-Schottky二极管
2.4 晶闸管
2.4.1 晶闸管的结构和工作原理
2.4.2 晶闸管的静态特性
2.4.3 晶闸管的开关特性
2.5 功率MOSFET
2.5.1 功率MOSFET的结构和工作原理
2.5.2 功率MOSFET的静态特性
2.5.3 功率MOSFET的开关特性
2.6 绝缘栅双极晶体管
2.6.1 IGBT的结构和工作原理
2.6.2 IGBT的静态特性
2.6.3 IGBT的开关特性
3 汽车电力电子系统的可靠性
3.1 汽车电力电子系统可靠性基础
3.1.1 可靠性的基本概念
3.1.2 可靠性主要术语与特征量
3.1.3 汽车电力电子系统的失效
3.1.4 汽车电力电子系统的可靠性工作流程
3.2 汽车电力电子器件的安全工作区与失效分析
3.2.1 功率二极管的安全工作区与失效分析
3.2.2 晶闸管的安全工作区与失效分析
3.2.3 功率MOSFET的安全工作区与失效分析
3.2.4 IGBT的安全工作区与失效分析
3.3 无源元件的失效分析
3.3.1 电阻器的失效
3.3.2 电感器的失效
3.3.3 电容器的失效
3.4 汽车电力电子系统的安全工作区
3.5 汽车电力电子器件的驱动和保护
3.5.1 汽车电力电子器件的驱动
3.5.2 汽车电力电子器件的保护
3.6 汽车电力电子器件的热管理
3.6.1 汽车电力电子器件热管理的作用
3.6.2 汽车电力电子器件的封装
3.6.3 汽车电力电子器件的基本传热方式
4 传统汽车中的电力电子技术
4.1 传统汽车中的电力电子电路结构
4.2 汽车电源系统与三相全桥整流电路
4.3 发动机电控系统中的电力电子技术
4.3.1 汽油机电子点火系统
4.3.2 发动机燃油喷射控制
4.4 有刷直流电机的驱动控制
4.4.1 有刷直流电机的结构和工作原理
4.4.2 永磁直流电动机的数学模型与工作特性
4.4.3 PWM控制基本原理
4.4.4 永磁直流电动机的控制
4.5 无刷直流电机的驱动控制
4.5.1 无刷直流电机的结构和工作原理
4.5.2 无刷直流电机的数学模型和工作特性
4.5.3 电流滞环跟踪PWM控制
4.5.4 无刷直流电机的控制
5 电动汽车直流-直流变换器
5.1 直流-直流变换器的作用与分类
5.1.1 直流-直流变换器的作用
5.1.2 直流-直流变换器的分类
5.2 燃料电池汽车单向直流-直流变换器
5.2.1 燃料电池汽车动力系统构型
5.2.2 降压型直流-直流变换器
5.2.3 升压型直流-直流变换器
5.2.4 升降压型直流-直流变换器
5.2.5 高电压增益直流-直流变换器
5.2.6 单向直流-直流变换器的控制
5.2.7 单向直流-直流变换器的损耗
5.3 双向非隔离型直流-直流变换器
5.3.1 双向非隔离型直流-直流变换器的电路结构
5.3.2 双向非隔离型直流-直流变换器的控制
5.4 交错式直流-直流变换器的电路结构与控制
5.4.1 交错式直流-直流变换器的电路结构
5.4.2 交错式直流-直流变换器的控制
5.5 隔离型直流-直流变换器
5.5.1 电动汽车隔离型直流-直流变换器的特点
5.5.2 全桥式直流-直流变换器
5.5.3 半桥式直流-直流变换器
5.6 直流-直流变换器的软开关技术
5.6.1 软开关的基本概念
5.6.2 LLC谐振直流-直流变换器
5.6.3 有源钳位正反激直流-直流变换器
6 电动汽车驱动电机系统
6.1 电动汽车驱动电机系统概述
6.1.1 驱动电机系统的作用与驱动形式
6.1.2 驱动电机的类型
6.1.3 整车对驱动电机系统的技术要求
6.2 永磁同步电机的结构、原理与控制
6.2.1 永磁同步电机的结构与工作原理
6.2.2 永磁同步电机的数学模型
6.2.3 永磁同步电机的矢量控制
6.3 交流感应电机的结构、原理与控制
6.3.1 交流感应电机的结构与工作原理
6.3.2 交流感应电机的数学模型
6.3.3 交流感应电机的矢量控制
6.3.4 交流感应电机的弱磁控制
6.4 电压型逆变电路与脉宽调制技术
6.4.1 电压型逆变器主电路结构
6.4.2 三相电压

汽车电力电子学是以汽车构造与原理、现代电力电子
学、计算机科学、电工学、电子学、控制理论等学科为理
论基础，研究电力电子器件、电力电子电路及电力电子装
置在汽车上应用的多学科交叉的综合性学科，可以简单概
括为关于电力电子技术在汽车领域应用的相关知识或理论
。
汽车电力电子系统（或部件）已经成为汽车的重要组
成部分，其自身的性能对汽车的动力性、经济性、可靠性
、安全性、稳定性和舒适性等具有直接而重要的影响。汽
车电力电子技术已经成为现代汽车领域关注和研究的热点
。
目前，在以内燃机为动力的传统汽车上，电力电子技
术应用非常广泛，从发电机到起动机，从照明系统到发动
机控制系统，处处都存在电力电子技术。传统汽车正在发
展中的一些前沿技术，如智能电气系统、底盘电气化系统
以及各类线控技术等，更是离不开电力电子技术。
进入21世纪以来，随着人们对能源严重短缺和环境污
染等问题的重视，新能源汽车开始成为汽车厂商和研发机
构的研究热点。无论是纯电动汽车还是混合动力汽车或被
人们视为更加绿色环保的燃料电池汽车，电力电子技术都
在其中扮演着重要角色。
近年来受到普遍关注的智能汽车，由于采用了更多的
电气执行部件，电力电子相关技术得到了更广泛的应用。
汽车的工作环境具有高温、高寒、高湿、高振动、高
海拔等特点，对电力电子器件、电力电子电路、电力电子
控制等方面提出了非常高的要求，因此汽车技术自身的发
展也推动了电力电子技术进步。
汽车电力电子学相关知识的普及以及对相关理论的进
一步深入研究具有非常重要的意义。
为了适应汽车技术快速发展和人才培养的需求，清华
大学开设了“汽车电力电子学”课程。借鉴该课程讲义和
多年教学经验，同时吸收了近年来国内外最新的汽车电力
电子技术成果，编者编写了本书。
本书共分8章。第1章为绪论，介绍汽车电力电子学的
发展历程、应用领域以及汽车电力电子技术的特点和发展
趋势； 第2章介绍汽车常用电力电子器件的结构、原理和
特性； 第3章分析汽车电力电子系统的可靠性以及汽车电
力电子器件的使用方法； 第4章阐述传统汽车中的电力电
子技术； 第5章介绍电动汽车的直流直流变换器； 第6
章介绍电动汽车的驱动电机系统； 第7章介绍电动汽车的
充电系统； 第8章介绍汽车电力电子系统的电磁兼容。
本书得到了国家重点研发计划项目(编号：
2016YFE0102200、2018YFB0105502)和北京市自然科学基
金项目(编号： 3172019)的支持，并引用了项目的部分研
究成果。
在本书的编写过程中，编者得到了清华大学汽车工程
系众多同事的支持以及新能源汽车研究团队的大力帮助，
编者所在汽车电力电子与电机驱动课题组的研究生参与了
本书部分文字和图形的校对工作，在此向他们表示衷心的
感谢。
书后列出了主要的参考文献。在此，对所有参考文献
的作者表示诚挚的谢意。
本书可作为高等院校车辆工程、机械工程、交通运输
等专业本科生和研究生的教材或参考书，也可作为相关科
研机构和汽车行业的技术人员的参考书。
由于编写时间较短、相关资料不足和编者水平有限，
本书难免存在许多不足之处，恳请广大读者批评指正，并
将意见和建议反馈，以便进一步修订和完善。
编者
2018年8月于清华园

高大威编著的《汽车电力电子学(清华大学汽车工程系列教材)》是清华大学汽车工程系列教材之一。随着新能源汽车及智能网联汽车的发展，电力电子技术在汽车领域中的应用变得越来越重要，清华大学汽车工程系适时开设了汽车电力电子学的课程，组织授课教师精心编写了本教材。

1 绪论
1.1概述
电力电子学(power electronics)这一术语出现在20世纪60年代，目前国内外普遍接受的定义是： 电力电子学是关于“利用电力电子器件组成不同拓扑结构的电路，并以此完成电能控制和不同形式电能之间转换”的理论。电力电子相关技术拓宽了传统电子学的应用领域，为现代通信、计算机、工业自动化、电力工业、航天、汽车等高新技术领域提供高性能、高精度和高效率的电能转换和控制设备，成为发展高新技术的基础和关键。
汽车电力电子学(automotive power electronics)是一门多学科交叉的综合性学科，其以汽车构造与原理、现代电力电子学、计算机科学、电工学、电子学、控制理论等学科为基础，研究电力电子器件、电力电子电路及电力电子装置在汽车上的应用。汽车电力电子学可以简单概括为电力电子技术应用于汽车领域时的相关知识或理论。
电力电子器件是电力电子学应用的物质基础，传统电子学领域的电子器件与电力电子器件存在许多联系和区别，前者更多地用于进行模拟或数字类电信号的处理，体现出低电压、小电流和小功率的特点； 而后者往往工作在高电压、大电流和大功率条件下。虽然有些文献将额定电流大于1A的电子器件归类为电力电子器件［1］，但两者的界限并不是非常清晰。与此相关，“汽车电子”与“汽车电力电子”这两个术语之间也具有一定的关联和区别。例如，发动机控制系统中的点火系统以及燃油喷射系统，由于采用了功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)作为执行器件，可以看作是汽车电力电子技术的应用，但在现有的技术体系中，往往将其归为汽车电子领域。表11给出了“汽车电力电子”和“汽车电子”各自具有的技术特征。
表11“汽车电力电子”与“汽车电子”的技术特征
类别
汽车电力电子
汽 车 电 子
电压
12~1200V
3.3/5V
电流
1A至数百安
数百毫安
功率
数十瓦至数百千瓦
数瓦至数十瓦
目的
电能转换或控制
模拟或数字信号处理
器件
电力电子器件
模拟或数字电子器件
汽车电力电子系统可定义为： 为执行不同形式车载电能之间转换任务所必需的所有元件的完整集合。汽车电力电子部件的定义为： 组成汽车各个部分的具有不同形式电能之间转换技术特征的基本单元。因此，汽车电力电子系统可以指单一的汽车电力电子部件，也可以是多个汽车电力电子部件的集成或组合。图11给出了一个乘用车的燃料电池汽车动力系统结构示意图，图中与燃料电池输出侧连接的直流直流变换器(也称为主DCDC变换器，main DCDC converter)、辅助直流直流变换器(也称为辅助DCDC变换器，auxiliary DCDC converter)、电机控制器(motor controller)三个汽车电力电子部件组成了一个汽车电力电子系统。
1绪论
汽车电力电子学
图11燃料电池汽车动力系统结构示意图
一个汽车电力电子部件应具有下列特征。
(1) 功能上： 完成一种形式电能到另一种形式电能的变换。
(2) 电气结构上： 包括电力电子电路及维持其正常工作所需的辅助电路，如驱动电路(driving circuit)、保护电路(protection circuit)、微控制单元(micro controller unit，MCU)、数据采集电路(DAQ circuit)、通信电路(communication circuit)、电源电路(supply circuit)等。一般把电力电子电路称为主电路(main circuit)，而把所有的辅助电路统称为控制电路(control circuit)。
(3) 机械结构上： 包括导电母排、机械安装接口、各类连接器、散热子系统、防护外壳等。
(4) 满足车用条件： 具有较高的功率密度和效率； 具有一定的防护等级和电气绝缘性能； 具有较强的环境适应性和电磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)。
图12所示为典型的电动汽车永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)驱动系统的构成，包括作为电源的动力蓄电池、实现直流交流电能变换的驱动电机控制器以及实现电能机械能变换的永磁同步电机。在图12所示系统中，电机控制器是一个汽车电力电子部件，其内部主要包括主电路和控制电路两大部分。主电路主要由电力电子器件构成，用来完成直流交流之间的电能变换，如图13所示。三相电机控制器的主回路普遍采用三相桥式电路结构，每相桥臂由上下两组电力电子器件构成，图中的V1与V4、V3与V6、V5与V2分别构成A、B、C三相桥臂。同时，直流侧连接有电容CDC。控制电路由数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、驱动电路、保护电路等组成。
图12电动汽车永磁同步电机驱动系统的组成
图13三相电机控制器主电路
当电机驱动车辆行驶时，电机工作在电动(motoring)状态，电能从蓄电池经电机控制器流向电机，电机控制器将直流形式的电能逆变为交流形式的电能； 当车辆制动时，电机工作在发电(generating)状态，电能从电机经电机控制