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怎样才能学好电力电子学?

首先,在我的理解中,电力电子的基础是对信号的处理,如果说电子设计偏向的是对一种弱电信号的处理,那么电力电子是一种对强电信号变换处理的学科。在电子设计中,我们通过模拟或者数字电路调制放大信号,得到我们所需的信号,或者利于高速传播的信号,所以电子设计是一种对信息的处理,一些技术要求是信噪比,失真度,频率响应之类的。其实,电力电子和电子设计也是异曲同工之妙,世界上万千负载,所需千化万变,我们需要调制和处理强电信号,将源头的电力信号转换为可以让负载work well的电力信号。电力电子就是通过半导体开关的非线性动作来完成调制和处理功率信号。

  所以我强调的一门基础课程是线性系统与信号分析,这是我深深的体会,想要玩转电子设计,不仅在弱电设计,信号处理的一些基本理论、思想和方法广泛的应用在电路暂态分析、控制环路分析、EMI滤波器设计等等在电力电子中十分重要的环节。我在上原来在CPES徐明老师的课时,他强调如果你只会和传统教科书一样,看电力电子的时域波形和模态,然后T1,T2,T3.。。。。的分析,那么你的眼界太小了,往往很难看到实质。

怎样才能学好电力电子学?

  举几个应用的例子,当我在上本科的时候,看到阮新波老师的移相全桥的文章,当我看到他在每个模态后边轻松的给出关键变量的时域暂态表达式时,满心佩服。后来我发现在s域把这些电路模态之间的切换可以轻松表达出来(原谅我的迟钝,本科的信号处理这门关键课程被一个毫无经验,刚上岗的教师毁了),将时域的微分方程轻松的转换为线性方程组,求解电路全响应在转换到时域即可。这个方法对于暂态的分析使用十分普遍和广泛,也是信号处理里最基本的内容。

  另外一个例子,门级驱动电阻的设计,在教科书里是不是随便说5-100欧左右。其实如果你想仔细的设计门级驱动电阻,那么信号分析的手段又要使用了。


  上图是开关管开通瞬间的示意图,没错,就这么简单的模型,驱动电阻、驱动回路电感、栅源极电容构成一个LCR谐振回路。这就是一个典型2阶系统,如果想要使得电容上电压没有超调和震荡,也就是Vgs没有电压尖峰。那么这个LCR谐振系统的特征方程就应该有两个实数根。自然就可以得出驱动电阻阻值的限制。最后求解出来是一个Rg的下限,你不能比这个低。关于上限的求解我就不讲了,有兴趣的可以看下桥臂cross-talk现象产生的桥臂直通,同样的分析手段。



  信号分析方法的还广泛应用于电力电子系统建模、小信号分析、控制稳定性分析等等领域中,包括现在研究前沿离散时间精确建模、虚拟阻抗控制、分布式逆变器并联稳定性、系统级联稳定性分析等等。

  如何进阶提高

  夯实基础后(所谓基础就是我说的信号分析和已有答案中的控制原理之类),建议精心阅读一本具有全面性介绍电力电子学科的书籍,提升你对电力电子的理解和眼界。这本书当然就是《Fundamental of Power electronics》。 可以参考@future energy的一个回答,他对这边书已经详细介绍了。

  通过在实验室一段时间的锻炼,然后就要明确自己的研究方向了。明确方向后,一定要拜读下你这个方向的经典书籍,比如磁设计方面的书籍,《Transformer and inductor design handbook》。 逆变器和整流器控制方面的脉宽调制方法,《Pulse Width Modulation for Power Converters Principles and Practice》。这些书籍都是由该研究领域的顶尖大牛所写,认真阅读理解后,可以对现有技术有一个全面而系统的认识。

  在泛和专的阅读书籍期间,你可能已经跃跃欲试了,说不一定脑海里已经有了自己的idea。不过别急,很重要的一点,电力电子是一门工程实践性学科,如果你不动手,上面做了那么多的努力全白费了。这个阶段你应该注重工程经验的积累,因为真正的问题来源于工程,真正的应用也在工业界。如果你一味的做paper design,做一些控制,也许可以发文章,但是我想说的是: You are not a power electronics guy, you are a control guy. 你也许这辈子也无法理解电力电子的精髓了。Build your own converter!参加一些项目,虽然可能会非常辛苦,作为一个电力电子的学生,你要自己打孔、拧螺丝,这些都是常事。在工程实践的过程中,你会做一些物理设计,你会解决散热,解决EMI不符合要求,解决控制干扰不稳定的问题等等,而且有一个你的好伙伴“炸机”会时常来慰问下你,搞得你心烦意乱,心灰意冷。这时候一定要找到问题(往往是最关键的一步),找到问题的实质,就是你成功的基础,然后利用分析手段解决问题,再去实际实施。这个过程就是非常有价值的,具有工程应用意义的技术和方法都是在解决实际实施中遇到的问题得来的。如果你发现了一个十分有意义的问题,那么,Dig it deep! 要沉下心来非常细致的研究和解决问题(我做不到呀!),那么你的工作会非常有价值。

  如果你想紧跟最新的研究成果,那么你还得阅读大量的paper,这也是解决问题的手段之一,看看那些和你遇到同样问题的伙伴怎么做的,往往很有启发。


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