電力電子學圖鑑:電的原理、運作機制、生活應用……從零開始看懂推動世界的科技!

電力電子學圖鑑:電的原理、運作機制、生活應用……從零開始看懂推動世界的科技! pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

森本雅之
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具体描述

  電力電子學和我有什麼關聯?
  事實上,只要插上插座,開始使用電能,
  你就與電力電子學分不開!

  微波爐是如何加熱?
  洗衣機用了什麼機制降低音量?
  冰箱是如何達到智慧節能?
  油電混合車的運作機制為何?

  從家電到交通工具,維持現代生活與社會運轉,
  電力電子學可以說是必要技術!
  看懂電力電子學=通曉全世界!

  0基礎也能看懂有關「電」的一切!
  技術也會一直革新,即使閱讀專業書籍或教科書,
  也很難跟得上現實中的電力電子產品。
  全書用圖解方式解說基礎原理、使用實例,
  即使不是專家,也能輕鬆理解!
好的,这是一本关于 《微型机械与MEMS技术:从基础原理到前沿应用》 的图书简介。 《微型机械与MEMS技术:从基础原理到前沿应用》 一本深入探索微观世界的科技巨著 在当代工程与科学的前沿,有一个领域正以惊人的速度重塑着我们的生活、医疗、通信乃至环境监测——那就是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)。本书《微型机械与MEMS技术:从基础原理到前沿应用》,旨在为读者构建一个全面而深入的知识框架,带领读者从最基础的物理和材料科学原理出发,逐步迈入尖端微纳制造工艺和多样化应用场景的殿堂。 本书并非仅仅停留在概念的罗列,而是力求成为一本兼具理论深度与工程实践指导性的参考书。我们聚焦于那些驱动现代科技进步的微小“齿轮”和“传感器”,详细解析它们如何从无到有,如何协同工作,最终实现宏观世界无法比拟的功能与效率。 第一部分:理论基石与物理学基础 理解MEMS,必须先掌握其运行的物理法则。本书的开篇部分,着重夯实理论基础。我们深入探讨了在微尺度下,表面效应与体积效应的相对重要性变化,这是宏观机械设计理论失效的根本原因。 流体力学与气动效应: 气体在微通道中的流动特性(如Knudsen数的影响)与宏观管道中的层流或湍流截然不同。本书详细阐述了布朗运动、分子流和粘滞流等不同流动状态下的动力学模型,并给出了计算微型泵和微阀门阻力的具体方法。 固体力学与薄膜特性: 介绍了微结构件在受力下的应力应变分析,特别关注了薄膜材料的本征应力、弯曲刚度以及疲劳特性。通过有限元分析(FEA)的原理介绍,读者将学习如何预测微梁、微悬臂梁和微镜阵列在外部激励下的动态响应。 静电力、压电效应与电磁驱动: 这是MEMS最核心的驱动机制。本书详尽剖析了库仑定律在微结构中的实际应用,包括静电梳齿驱动器的工作原理、工作电压的优化设计,以及如何利用压电材料(如PZT)实现高频率、高精度的位移输出。电磁驱动在微型电机和执行器中的应用,如涡流效应和霍尔效应在传感器中的体现,也进行了细致的数学建模与仿真分析。 第二部分:材料科学与先进制造工艺 MEMS的实现离不开精密的材料选择和前沿的微纳加工技术。本部分是本书的工程核心。 功能性微材料: 我们超越了传统的硅基材料,深入探讨了聚合物(如PDMS)在软接触传感和生物芯片中的应用,探讨了其弹性模量、表面能和生物相容性。此外,对氮化硅、氧化物薄膜以及新型金属间化合物在要求高强度或耐腐蚀环境下的适用性进行了比较分析。 微加工技术深度解析: 1. 光刻技术(Photolithography): 详细讲解了从掩膜制作、涂胶、曝光到显影的全过程,重点阐述了深亚微米分辨率光刻的挑战与应对策略,包括浸没式光刻和电子束光刻(EBL)的基本原理。 2. 干法刻蚀(Dry Etching): 深度剖析了反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE,如Bosch工艺)的反应机理、等离子体特性控制以及侧壁形貌的控制技术。理解如何实现高纵横比(Aspect Ratio)的结构是本节的重点。 3. 薄膜沉积与表面处理: 涵盖了物理气相沉积(PVD,如溅射)和化学气相沉积(CVD)在形成功能层、牺牲层和键合层中的应用,并对比了原子层沉积(ALD)在实现超薄、高均匀性薄膜方面的独特优势。 4. 键合技术(Bonding): 晶圆级键合(如硅/硅、硅/玻璃)是实现封装和制造复杂三维结构的关键。本书详细介绍了机械键合、热氧化物键合、共晶键合的工艺窗口和可靠性考量。 第三部分:关键MEMS器件原理与设计实例 基于前述的理论和工艺基础,本书转向具体器件的剖析,提供了大量的工程设计实例。 传感器与加速度计: 详细分析了基于梁式结构和膜式结构的压阻式和电容式加速度计的工作原理,如何通过质量块与阻尼介质的相互作用来精确测量加速度。特别讨论了零点漂移、温度补偿和噪声抑制的技术。 微镜与光通信器件: 激光束转向器、光开关和可寻址微镜阵列(DMD)是光电子领域的核心。本书剖析了扫描微镜的谐振频率设计、驱动扭矩计算以及防止粘滞(Stiction)问题的策略。 微流控芯片(Microfluidics): 作为生物医学和化学分析的平台,本书讲解了微通道中的流体动力学,包括离心力驱动、压力驱动和电驱动(如电渗透流EOP)流体的控制。重点在于芯片上的混合、分离和检测单元的设计。 微型执行器与泵: 涵盖了基于梁的位移放大机构、压电致动器在阀门和喷墨打印头中的应用,以及无需活动部件的固态泵的设计与效率评估。 第四部分:系统集成与前沿挑战 MEMS的未来在于系统集成(System-on-Chip)和跨学科融合。 封装与互连: 器件的性能往往受限于封装的质量。本书讨论了从晶圆级到最终产品的多层级封装技术,包括腔体密封、气体环境控制以及如何集成光、电信号的引出与连接。 系统级封装(System-in-Package, SiP): 探讨了如何将MEMS传感器、ASIC(专用集成电路)驱动和控制电路集成在一个紧凑的封装内,实现高可靠性和小型化。 人工智能与MEMS: 最后,本书探讨了如何利用机器学习算法优化MEMS器件的实时校准、故障诊断和自适应控制,特别是在复杂环境监测和机器人技术中的应用潜力。 《微型机械与MEMS技术:从基础原理到前沿应用》 是一本为高年级本科生、研究生、研究工程师以及对精密制造和微纳技术有浓厚兴趣的专业人士量身打造的深度指南。它不仅是理论的殿堂,更是通往未来工程实践的阶梯。通过阅读本书,读者将能够掌握从纳米尺度上的物理相互作用到宏观系统集成的完整链条知识,从而在未来的科技创新浪潮中占据制高点。

著者信息

作者簡介
    
森本雅之(Morimoto Masayuki)


  1977~2005年:於三菱重工業株式會社從事電力電子領域的研究開發工作。
  2005~2018年:日本東海大學教授。從事電力電子領域的研究與教育工作。
  2018年~現在:設立Mori MotoR Lab.,從事電力電子領域的顧問工作,以及社會人士的教育工作。

  著作:
  《看漫畫學馬達》(オーム社)
  《EE Text電力電子學》(オーム社)
  《電動車 第2版:這些「汽車」的運作機制與相關技術》(森北出版)
  《交流電的機制:從三相交流電到電力電子學》(講談社)
  等。

图书目录

第0章 電力電子學究竟是什麼
0-1 電力電子學與電子學有什麼差別?
電力電子學的核心在於電力的控制
0-2 電力控制與能量控制
將電力轉換成熱能、化學能、動能
0-3 電力電子學有什麼用? 日常生活中的電力電子學
0-4 與電子電力學有關的人們 從一般人到專家

第1章 直流與交流、電壓與電流(電力的基礎)
1-1 電流 電子的移動會形成電流
1-2 電動勢與電壓 電流由電動勢驅動
1-3 電流與電壓的關係 歐姆定律就是那麼美妙
1-4 電阻與電阻率 電阻表示電流流過的難度!
1-5 電流三效應 電能應用的基礎
1-6 神奇的磁力 介紹磁場、磁通量、永久磁石的基礎
1-7 直流與交流的差異 兩種不同的電流流動方式

第2章 線圈與電容(電路的基礎)
2-1 線圈內的電流 累積能量
2-2 電磁感應 以磁力催發出的電力
2-3 電感 表示感應起電的大小
2-4 操控線圈的能量
以ON/OFF使線圈累積/釋出能量
2-5 電容 運用絕緣體製作巧妙的機關
2-6 於線圈與電容上施加交流電壓
重點在電壓與電流方向的差異
2-7 電抗與阻抗
以頻率改變電流流過的難度
2-8 以阻抗表示交流電路 用虛數表示會方便許多!
2-9 交流電的功率 想知道真正的功率

第3章 電力電子的基礎
3-1 開關模式電源 咚咚咚地調整電壓
3-2 線圈的功能 製造出平滑電路以防止電流中斷
3-3 電容的功能 降低電流的漣波
3-4 降壓截波器 降低電壓的基本電路
3-5 升壓截波器 提升電壓的基本電路
3-6 DC-DC變換器 改變直流電電壓
3-7 逆變器 將直流電轉換成交流電

第4章 功率元件的運作機制
4-1 理想開關與半導體開關 理想與現實的差異
4-2 功率元件是什麼 以小控制大
4-3 二極體與閘流體 使電流單向通行的方法
4-4 雙極性電晶體 關鍵在三層結構與基極
4-5 功率MOSFET 以電壓控制電路
4-6 IGBT 最常看到的功率元件的運作機制
4-7 不同功率元件的用途 分別用於控制電壓、電流、運作速度
4-8 功率元件的冷卻 若不冷卻就無法繼續使用

第5章 電力電子學的主角「逆變器」
5-1 二極體與電容 瞭解逆變器的電路
5-2 三相逆變器 星形或三角形
5-3 交流電的頻率與相位 再次說明交流電的基礎
5-4 PWM控制 把方形變成圓形

第6章 逆變器的使用方式
6-1 用電分項 哪個東西用了多少電
6-2 以逆變器驅動馬達 節能與逆變器間的密切關係
6-3 各種馬達 交流電馬達、直流電馬達
6-4 直流電馬達 首先複習一下馬達的基礎知識
6-5 交流電馬達 使用三相交流電的馬達
6-6 感應馬達 使用旋轉磁場的馬達
6-7 同步馬達 低轉速高效率的馬達
6-8 無刷馬達 以電力電子學控制的無刷馬達!
6-9 向量控制 活用弗萊明左手定則
6-10 電力調節器 把逆變器當做交流電源
6-11 PWM變換器 把逆變器當做整流電路

第7章 家庭內的電力電子
7-1 冷氣 最貼近我們的電力電子學
7-2 冰箱 運用電力電子學來智慧節能
7-3 洗衣機 用逆變器降低音量的電力電子學
7-4 吸塵器 用逆變器製造氣旋
7-5 微波爐 運用電力電子學任立改變加熱輸出
7-6 IH 用渦電流做料理!
7-7 照明 運用電力電子學點燈
7-8 AC配接器與充電器 看起來很像其實大有不同
7-9 資訊傳輸裝置、影像播放裝置 支撐著敏感複雜的ICT、IoT
7-10 家用太陽能發電與能量農場
沒有電力電子學就做不起來
7-11 HEMS與智慧電網 管理家庭內的能源

第8章 交通工具與電子電力學
8-1 鐵道車輛 鐵道是電子電力學的優等生
8-2 新幹線 走在電子電力學的尖端
8-3 線性馬達牽引車 把轉子變成定子!
8-4 電動車 運用電力電子學原理開發出來的電動車
8-5 油電混合車 減少能量浪費的運作機制
8-6 引擎車的電子電力學 汽車可以說是功率元件的結晶
8-7 船與飛機 未來將改以電力驅動
8-8 其他交通工具 現在每個都是電力驅動

第9章 電力系統的電力電子學
9-1 頻率變換設備 從60到50、從50到60
9-2 無效電力調整 支撐供電的機制
9-3 諧波 畸變波的原因
9-4 直流供電 海底電纜是直流供電
9-5 風力發電 蒐集風力
9-6 調整電力需求 為了蓄積電力而下的工夫
9-7 蓄電系統 調整需求的王牌

第10章 製造業的電力電子學
10-1 加熱的電力電子學 有效率地運用熱能
10-2 「創造」與「削減」電力電子學 細微調整就交給它
10-3 工廠自動化的電力電子學 自動化的機制
10-4 工廠設備的電力電子學 現在幾乎都是電動

第11章 社會生活的電力電子學
11-1 日常生活與電力電子學 沒有電力的話就無法生活
11-2 自來水 以電力電子學實現節能
11-3 天然氣、燃燒垃圾 壓縮機與鼓風機
11-4 區域供熱供冷系統 實現熱電共生
11-5 通訊、資訊處理 需要穩定供電
11-6 寬能隙半導體
備受期待的非矽半導體
11-7 智慧社會 透過電力電子實現的「智慧」社會
索引

图书序言

  • ISBN:9786263291638
  • 規格:平裝 / 288頁 / 14.7 x 21 x 1.4 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

前言

  2007年,有志之士在「Cool Earth 50」計畫中提出,為了對抗地球暖化,必須開發21種革命性的技術。這些技術中,不僅許多與太陽能發電、電動車等電力電子學領域有關,甚至「電力電子學」本身就被列為其中一項技術。這可以說是宣告了電力電子學時代的到來。

  在那之後過了十多年,電力電子學的相關產品在我們的周圍已隨處可見。另一方面,AI與IoT已成為了這個世界的關鍵字,是驅動社會進步的重要技術。這些技術投入市場時,軟體是不可或缺的工具,但光靠軟體並不夠,還需要提供電力,產品才動得起來。而在提供電力時,就會用到電力電子學。譬如要有馬達才能讓機器運轉,而在控制馬達的運轉情況時,電力電子學是不可或缺的知識。所以說,為了維持現代生活與社會運轉,電力電子學可以說是必要技術。

  雖然電子電力學如此重要,但就連電學專家也常覺得「電力電子學很難,根本看不懂」。我認為這是因為,從以前開始,電力電子學就沒有建立起一套完整的技術或學問體系。隨著整體社會的發展,為了製造出更好的產品,技術也會一直革新。所以即使學生們閱讀過去的專業書籍或教科書,也很難跟得上現實中的電力電子產品。

  在這樣的背景下,我以「讓不是電學專家的人們,也能理解電力電子學」為目標,寫下了這本說明電力電子學的書籍。為了讓覺得「不知道電學在講什麼」、「電又看不到,根本沒興趣」的人們理解電力電子學,我會從與電力電子有關的電學基礎開始,一直到實際的應用,盡可能地仔細說明一切相關學問。

  如果本書能讓更多人瞭解電力電子學是什麼,並進一步喜歡上電子電力學,那就太棒了。

2020年10月
森本雅之

用户评价

评分

從「圖鑑」這個副標題來看,我猜想這本書在視覺化呈現上應該下了不少功夫。對於理工科的書來說,單靠文字堆砌很容易讓人產生閱讀疲勞,特別是像電力電子這種需要空間概念和動態理解的學科。我非常期待書中能有大量且精美的圖表。如果能將複雜的波形圖、等效電路圖,甚至是用三維立體圖來展示電磁場的變化,那絕對能大幅降低學習門檻。我想像那種感覺,就像拿到一本超級詳盡的組裝說明書,每個元件的功能、連接方式,甚至是故障排除的邏輯,都清晰地標示出來。特別是對於功率元件的熱管理部分,往往是實際設計時最容易出錯的地方,如果書中能用圖示清晰地說明散熱片的設計原理,或是元件的佈局對效率的影響,那就太棒了。總之,我希望能看到一本不只「教你知識」,更能「教你如何看懂」電路設計思路的實戰工具書。

评分

台灣的製造業基礎非常雄厚,從傳統的家電到精密機械,都離不開穩定的電力供應和高效能的驅動系統。然而,要真正做到產業升級,光靠引進國外技術是不夠的,我們必須要有自己的核心理解和創新能力。我認為這本《圖鑑》的出版,或許可以為許多年輕的工程師或技術人員提供一個極佳的入門途徑。它不只是一本教科書,更像是一本實戰手冊。我期望它在介紹完原理之後,能夠多舉一些與台灣產業高度相關的案例。例如,在太陽能逆變器(Inverter)的設計上,如何優化逆變效率以應對不同的日照條件;或者在電動巴士的馬達控制系統中,如何設計出既能提供大扭力又兼顧電池壽命的電力電子架構。如果書中能將理論與「在地化」的工程問題做緊密結合,那它就不僅僅是知識的傳遞,更是一種推動產業創新的催化劑,能幫助更多本土團隊從「會用」邁向「會設計」的層次。

评分

這本關於電力電子學的書,光看書名就覺得很有份量,雖然我不是電機科出身的,但對現代科技的運作原理一直很好奇,特別是那個「推動世界的科技」聽起來就超酷的。我記得以前大學時上過一兩門相關的選修,那時候的課本簡直是天書,公式多到讓人頭皮發麻,搞得我對這個領域產生了一種敬畏又有點害怕的複雜情感。所以,當我看到這本書標榜「從零開始看懂」,心裡其實是抱著一絲懷疑和極大的期待。我猜想,作者一定花了很多心思,試圖用更貼近生活、更容易理解的方式來闡述這些深奧的理論。畢竟,電力電子學不只是學術研究,它更是我們日常生活中,從手機充電到電動車,甚至是工業自動化背後的核心驅動力。如果能真正掌握它的基本邏輯,那看世界的方式可能都會變得不一樣,不再只是看到一個插頭和一個電器,而是能理解那之間複雜的能量轉換過程,這對一個非本科生來說,簡直像解開了某種科技密碼一樣令人興奮。我非常期待它能把那些抽象的開關、轉換器,變得像搭積木一樣直觀。

评分

身為一個在科技業周邊打滾多年的老手,我對各種新技術的應用面比較敏感,但坦白說,當談到背後的硬體層面,尤其牽涉到大功率、高頻率的電力處理時,我的知識儲備就顯得有點薄弱了。很多時候,我們只是看到產品發表會上那些炫目的展示,然後就接受了「它做得到」這個事實,卻從來沒去深究「它是怎麼做到的」。這本書如果能把「運作機制」這個部分講得透徹,那對我來說價值就非常高了。我特別想知道,例如現在非常熱門的快速充電技術,它背後那些複雜的脈衝寬度調變(PWM)是怎麼精準控制的,以及在高效能的伺服器電源供應器裡,如何做到高效率又低雜訊的轉換。我希望它不只是停留在直流轉交流的基礎概念,而是能深入到元件層級,比如MOSFET或IGBT在實際高頻切換時會遇到的挑戰與對策。如果書中能搭配一些實際的電路圖示或模擬軟體截圖輔助說明,那絕對是加分到爆表,能讓原本冰冷的理論瞬間變得立體起來。

评分

最近幾年,隨著氣候變遷和能源轉型的議題越來越被重視,電力電子學的重要性簡直是直線上升。儲能系統(ESS)、智慧電網(Smart Grid)這些名詞已經從學術圈走進了每個人的日常對話中。我很好奇,這本書是如何處理這些新興應用的。例如,在討論電池管理系統(BMS)時,電力電子學扮演了什麼樣的關鍵角色?是負責監控充電電流的穩定性,還是參與能量的雙向流動控制?我特別希望書中能有專章或詳細的篇幅,來探討如何用電力電子技術來優化再生能源的併網問題,畢竟這是台灣未來能源結構轉型的重中之重。如果它能用清晰的脈絡,將傳統的電力轉換技術,無縫連接到這些前瞻性的綠色能源領域,那這本書的時代價值就非常高了。讀者不只能理解過去的技術,更能預見未來的方向,這才是真正「看懂推動世界的科技」的深層意義所在。

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