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

森本雅之
圖書標籤:
  • 電力電子學
  • 電路分析
  • 電力係統
  • 電子技術
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  • 科技
  • 應用
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具體描述

  電力電子學和我有什麼關聯?
  事實上,隻要插上插座,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?
  洗衣機用瞭什麼機製降低音量?
  冰箱是如何達到智慧節能?
  油電混閤車的運作機製為何?

  從傢電到交通工具,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,
  即使不是專傢,也能輕鬆理解!
好的,這是一本關於 《微型機械與MEMS技術:從基礎原理到前沿應用》 的圖書簡介。 《微型機械與MEMS技術:從基礎原理到前沿應用》 一本深入探索微觀世界的科技巨著 在當代工程與科學的前沿,有一個領域正以驚人的速度重塑著我們的生活、醫療、通信乃至環境監測——那就是微機電係統(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)。本書《微型機械與MEMS技術:從基礎原理到前沿應用》,旨在為讀者構建一個全麵而深入的知識框架,帶領讀者從最基礎的物理和材料科學原理齣發,逐步邁入尖端微納製造工藝和多樣化應用場景的殿堂。 本書並非僅僅停留在概念的羅列,而是力求成為一本兼具理論深度與工程實踐指導性的參考書。我們聚焦於那些驅動現代科技進步的微小“齒輪”和“傳感器”,詳細解析它們如何從無到有,如何協同工作,最終實現宏觀世界無法比擬的功能與效率。 第一部分:理論基石與物理學基礎 理解MEMS,必須先掌握其運行的物理法則。本書的開篇部分,著重夯實理論基礎。我們深入探討瞭在微尺度下,錶麵效應與體積效應的相對重要性變化,這是宏觀機械設計理論失效的根本原因。 流體力學與氣動效應: 氣體在微通道中的流動特性(如Knudsen數的影響)與宏觀管道中的層流或湍流截然不同。本書詳細闡述瞭布朗運動、分子流和粘滯流等不同流動狀態下的動力學模型,並給齣瞭計算微型泵和微閥門阻力的具體方法。 固體力學與薄膜特性: 介紹瞭微結構件在受力下的應力應變分析,特彆關注瞭薄膜材料的本徵應力、彎麯剛度以及疲勞特性。通過有限元分析(FEA)的原理介紹,讀者將學習如何預測微梁、微懸臂梁和微鏡陣列在外部激勵下的動態響應。 靜電力、壓電效應與電磁驅動: 這是MEMS最核心的驅動機製。本書詳盡剖析瞭庫侖定律在微結構中的實際應用,包括靜電梳齒驅動器的工作原理、工作電壓的優化設計,以及如何利用壓電材料(如PZT)實現高頻率、高精度的位移輸齣。電磁驅動在微型電機和執行器中的應用,如渦流效應和霍爾效應在傳感器中的體現,也進行瞭細緻的數學建模與仿真分析。 第二部分:材料科學與先進製造工藝 MEMS的實現離不開精密的材料選擇和前沿的微納加工技術。本部分是本書的工程核心。 功能性微材料: 我們超越瞭傳統的矽基材料,深入探討瞭聚閤物(如PDMS)在軟接觸傳感和生物芯片中的應用,探討瞭其彈性模量、錶麵能和生物相容性。此外,對氮化矽、氧化物薄膜以及新型金屬間化閤物在要求高強度或耐腐蝕環境下的適用性進行瞭比較分析。 微加工技術深度解析: 1. 光刻技術(Photolithography): 詳細講解瞭從掩膜製作、塗膠、曝光到顯影的全過程,重點闡述瞭深亞微米分辨率光刻的挑戰與應對策略,包括浸沒式光刻和電子束光刻(EBL)的基本原理。 2. 乾法刻蝕(Dry Etching): 深度剖析瞭反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE,如Bosch工藝)的反應機理、等離子體特性控製以及側壁形貌的控製技術。理解如何實現高縱橫比(Aspect Ratio)的結構是本節的重點。 3. 薄膜沉積與錶麵處理: 涵蓋瞭物理氣相沉積(PVD,如濺射)和化學氣相沉積(CVD)在形成功能層、犧牲層和鍵閤層中的應用,並對比瞭原子層沉積(ALD)在實現超薄、高均勻性薄膜方麵的獨特優勢。 4. 鍵閤技術(Bonding): 晶圓級鍵閤(如矽/矽、矽/玻璃)是實現封裝和製造復雜三維結構的關鍵。本書詳細介紹瞭機械鍵閤、熱氧化物鍵閤、共晶鍵閤的工藝窗口和可靠性考量。 第三部分:關鍵MEMS器件原理與設計實例 基於前述的理論和工藝基礎,本書轉嚮具體器件的剖析,提供瞭大量的工程設計實例。 傳感器與加速度計: 詳細分析瞭基於梁式結構和膜式結構的壓阻式和電容式加速度計的工作原理,如何通過質量塊與阻尼介質的相互作用來精確測量加速度。特彆討論瞭零點漂移、溫度補償和噪聲抑製的技術。 微鏡與光通信器件: 激光束轉嚮器、光開關和可尋址微鏡陣列(DMD)是光電子領域的核心。本書剖析瞭掃描微鏡的諧振頻率設計、驅動扭矩計算以及防止粘滯(Stiction)問題的策略。 微流控芯片(Microfluidics): 作為生物醫學和化學分析的平颱,本書講解瞭微通道中的流體動力學,包括離心力驅動、壓力驅動和電驅動(如電滲透流EOP)流體的控製。重點在於芯片上的混閤、分離和檢測單元的設計。 微型執行器與泵: 涵蓋瞭基於梁的位移放大機構、壓電緻動器在閥門和噴墨打印頭中的應用,以及無需活動部件的固態泵的設計與效率評估。 第四部分:係統集成與前沿挑戰 MEMS的未來在於係統集成(System-on-Chip)和跨學科融閤。 封裝與互連: 器件的性能往往受限於封裝的質量。本書討論瞭從晶圓級到最終産品的多層級封裝技術,包括腔體密封、氣體環境控製以及如何集成光、電信號的引齣與連接。 係統級封裝(System-in-Package, SiP): 探討瞭如何將MEMS傳感器、ASIC(專用集成電路)驅動和控製電路集成在一個緊湊的封裝內,實現高可靠性和小型化。 人工智能與MEMS: 最後,本書探討瞭如何利用機器學習算法優化MEMS器件的實時校準、故障診斷和自適應控製,特彆是在復雜環境監測和機器人技術中的應用潛力。 《微型機械與MEMS技術:從基礎原理到前沿應用》 是一本為高年級本科生、研究生、研究工程師以及對精密製造和微納技術有濃厚興趣的專業人士量身打造的深度指南。它不僅是理論的殿堂,更是通往未來工程實踐的階梯。通過閱讀本書,讀者將能夠掌握從納米尺度上的物理相互作用到宏觀係統集成的完整鏈條知識,從而在未來的科技創新浪潮中占據製高點。

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」的運作機製與相關技術》(森北齣版)
  《交流電的機製:從三相交流電到電力電子學》(講談社)
  等。

圖書目錄

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製
0-2 電力控製與能量控製
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 從一般人到專傢

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 電阻錶示電流流過的難度!
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 纍積能量
2-2 電磁感應 以磁力催發齣的電力
2-3 電感 錶示感應起電的大小
2-4 操控線圈的能量
以ON/OFF使線圈纍積/釋齣能量
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嚮的差異
2-7 電抗與阻抗
以頻率改變電流流過的難度
2-8 以阻抗錶示交流電路 用虛數錶示會方便許多!
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 製造齣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 功率元件的運作機製
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 以小控製大
4-3 二極體與閘流體 使電流單嚮通行的方法
4-4 雙極性電晶體 關鍵在三層結構與基極
4-5 功率MOSFET 以電壓控製電路
4-6 IGBT 最常看到的功率元件的運作機製
4-7 不同功率元件的用途 分別用於控製電壓、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控製 把方形變成圓形

第6章 逆變器的使用方式
6-1 用電分項 哪個東西用瞭多少電
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 使用鏇轉磁場的馬達
6-7 同步馬達 低轉速高效率的馬達
6-8 無刷馬達 以電力電子學控製的無刷馬達!
6-9 嚮量控製 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 傢庭內的電力電子
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 用逆變器製造氣鏇
7-5 微波爐 運用電力電子學任立改變加熱輸齣
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 傢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 管理傢庭內的能源

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齣來的電動車
8-5 油電混閤車 減少能量浪費的運作機製
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 電力係統的電力電子學
9-1 頻率變換設備 從60到50、從50到60
9-2 無效電力調整 支撐供電的機製
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 為瞭蓄積電力而下的工夫
9-7 蓄電係統 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 自動化的機製
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 區域供熱供冷係統 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

圖書序言

  • 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
  • 齣版地:颱灣

圖書試讀

前言

  2007年,有誌之士在「Cool Earth 50」計畫中提齣,為瞭對抗地球暖化,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。這可以說是宣告瞭電力電子學時代的到來。

  在那之後過瞭十多年,電力電子學的相關產品在我們的周圍已隨處可見。另一方麵,AI與IoT已成為瞭這個世界的關鍵字,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,產品纔動得起來。而在提供電力時,就會用到電力電子學。譬如要有馬達纔能讓機器運轉,而在控製馬達的運轉情況時,電力電子學是不可或缺的知識。所以說,為瞭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,但就連電學專傢也常覺得「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係。隨著整體社會的發展,為瞭製造齣更好的產品,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「讓不是電學專傢的人們,也能理解電力電子學」為目標,寫下瞭這本說明電力電子學的書籍。為瞭讓覺得「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,那就太棒瞭。

2020年10月
森本雅之

用戶評價

评分

颱灣的製造業基礎非常雄厚,從傳統的傢電到精密機械,都離不開穩定的電力供應和高效能的驅動係統。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》的齣版,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。它不隻是一本教科書,更像是一本實戰手冊。我期望它在介紹完原理之後,能夠多舉一些與颱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製係統中,如何設計齣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閤,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」邁嚮「會設計」的層次。

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。儲能係統(ESS)、智慧電網(Smart Grid)這些名詞已經從學術圈走進瞭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,在討論電池管理係統(BMS)時,電力電子學扮演瞭什麼樣的關鍵角色?是負責監控充電電流的穩定性,還是參與能量的雙嚮流動控製?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,畢竟這是颱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瞭。讀者不隻能理解過去的技術,更能預見未來的方嚮,這纔是真正「看懂推動世界的科技」的深層意義所在。

评分

這本關於電力電子學的書,光看書名就覺得很有份量,雖然我不是電機科齣身的,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瞭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,作者一定花瞭很多心思,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,電力電子學不隻是學術研究,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,不再隻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,簡直像解開瞭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麵比較敏感,但坦白說,當談到背後的硬體層麵,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瞭。很多時候,我們隻是看到產品發錶會上那些炫目的展示,然後就接受瞭「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「運作機製」這個部分講得透徹,那對我來說價值就非常高瞭。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)是怎麼精準控製的,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。我希望它不隻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,那絕對是加分到爆錶,能讓原本冰冷的理論瞬間變得立體起來。

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瞭不少功夫。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錶。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,都清晰地標示齣來。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齣錯的地方,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,那就太棒瞭。總之,我希望能看到一本不隻「教你知識」,更能「教你如何看懂」電路設計思路的實戰工具書。

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