汽車(chē)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 課件 第2章 電力電子器件與能量轉(zhuǎn)換電路

電力電子器件與能量轉(zhuǎn)換電路第2章2.1汽車(chē)電力電子技術(shù)2.1.1汽車(chē)電力電子技術(shù)的由來(lái)未來(lái)汽車(chē)電氣系統(tǒng)必須滿足以下三個(gè)基本要求：1）能高效率的完成機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)化；2）能高效率的變換并分配電能；3）能可靠的提供電能。汽車(chē)電力電子技術(shù)是以混合動(dòng)力汽車(chē)HEV、燃料電池汽車(chē)FEV和純電動(dòng)汽車(chē)EV為對(duì)象，運(yùn)用電力電子學(xué)理論，通過(guò)對(duì)車(chē)載電力傳動(dòng)系統(tǒng)的交流化、高壓化和對(duì)車(chē)載電力系統(tǒng)的精細(xì)控制。

2.1.2功率半導(dǎo)體器件的定義功率變換器即為通常所說(shuō)的電力電子電路（也稱(chēng)主電路），它由電力電子器件構(gòu)成。同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征是：1）能處理電功率的大小不同，即承受電壓和電流不同。2）電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。3）電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。4）為保證不至于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。2.1.3電力電子的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成?？刂齐娐钒聪到y(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。2.1.4功率半導(dǎo)體器件的分類(lèi)1．按可控性分類(lèi)（1）不可控型器件(UncontrolledDevice)不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路（2）半控型器件(Semi-controlledDevice)通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。（3）全控型器件(Full-controlledDevice)通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱(chēng)自關(guān)斷器件。2．按驅(qū)動(dòng)信號(hào)類(lèi)型分類(lèi)（1）電流驅(qū)動(dòng)型(CurrentDrivingType)通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。（2）電壓驅(qū)動(dòng)型(VoltageDrivingType)僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。3．按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分類(lèi)（1）單極型器件(UnipolarDevice)由一種載流子參與導(dǎo)電的器件；（2）雙極型器件(BipolarDevice)由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件；（3）復(fù)合型器件(ComplexDevice)由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。2.2功率二極管2.2.1電力二極管的結(jié)構(gòu)電力二極管又稱(chēng)為大功率二極管。大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有P型及N型兩層半導(dǎo)體、一個(gè)PN結(jié)和陽(yáng)極A、陰極K的兩層兩端半導(dǎo)體器件。2.2.2大功率二極管的特性 1．大功率二極管的伏安特性二極管陽(yáng)極和陰極間的電壓與陽(yáng)極電流間的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。2．大功率二極管的開(kāi)通、關(guān)斷特性（1）大功率二極管的開(kāi)通過(guò)程大功率二極管的開(kāi)通需一定的過(guò)程，初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，過(guò)一段時(shí)間后才達(dá)到穩(wěn)定，且導(dǎo)通壓降很小。（2）大功率二極管的關(guān)斷過(guò)程

2.2.3大功率二極管的主要參數(shù)1．額定正向平均電流（額定電流）IF指在規(guī)定＋40℃的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件結(jié)溫達(dá)額定且穩(wěn)定時(shí)，容許長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)流過(guò)工頻正弦半波電流的平均值。2．反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）ＵRRM在額定結(jié)溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第Ⅲ象限）急劇拐彎處于所對(duì)應(yīng)的反向峰值電壓稱(chēng)為反向不重復(fù)峰值電壓URSM。3．反向漏電流IRR對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓URRM下的平均漏電流稱(chēng)為反向重復(fù)平均電流IRR。4．正向平均電壓UF在規(guī)定的＋40℃環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)的散熱條件下，元件通以工頻正弦半波額定正向平均電流時(shí)，元件陽(yáng)、陰極間電壓的平均值，有時(shí)亦稱(chēng)為管壓降。5．大功率二極管的型號(hào)普通型大功率二極管型號(hào)用ZP表示，其中Z代表整流特性，P為普通型。ZP[電流等級(jí)]—[電壓等級(jí)/100][通態(tài)平均電壓組別]2.3晶閘管2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件?？煞譃槁菟ㄐ秃推桨逍蛢煞N，也有一些多個(gè)器件組成模塊。晶閘管依靠螺栓將管芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一個(gè)面?zhèn)鬟f熱量。2.3.2晶閘管的工作原理晶閘管是一個(gè)具有P1—N1—P2—N2四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個(gè)PN結(jié)J1、J2、J3，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，其中J1、J3承受反向阻斷電壓，J2承受正向阻斷電壓。2.3.3晶閘管的基本特性1．靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱(chēng)伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。2．動(dòng)態(tài)特性（1）開(kāi)通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過(guò)程為開(kāi)通過(guò)程。（2）關(guān)斷特性通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負(fù)載和輔助換流電路來(lái)提供。2.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（MOSFET）2.4.1結(jié)構(gòu)與工作原理 1．結(jié)構(gòu)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是一種柵極電壓來(lái)控制漏極電流的單極型晶體管。1）驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小；2）開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高；3）熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR；4）電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。2．工作原理MOSFET的三個(gè)極分別為柵極G、漏極D和源極S。當(dāng)漏極接正電源，源極接負(fù)電源，柵源極間的電壓為零時(shí)，P基區(qū)與N區(qū)之間的PN結(jié)反偏，漏源極之間無(wú)電流通過(guò)。2.4.2工作特性1．靜態(tài)特性（1）轉(zhuǎn)移特性漏極電流ID與柵源極電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性。（2）漏極伏安特性漏極伏安特性也稱(chēng)輸出特性，可以分為三個(gè)區(qū)：可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ，飽和區(qū)Ⅱ，擊穿區(qū)Ⅲ。2．開(kāi)關(guān)特性P-MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應(yīng)，因此開(kāi)關(guān)時(shí)間很短，典型值為20ns，而影響開(kāi)關(guān)速度的主要是器件極間電容。P-MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖所示，其中UP為驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，UGS為柵極電壓，iD為漏極電流。2.4.3主要參數(shù)與安全工作區(qū) 1．主要參數(shù)（1）漏極電壓UDS

漏極電壓UDS為P-MOSFET的電壓定額。 （2）電流定額ID電流定額ID為漏極直流電流，IDM為漏極脈沖電流幅值。 （3）柵源電壓UGS柵源間加的電壓不能大于此電壓，否則將擊穿元件。2．安全工作區(qū)P-MOSFET是多數(shù)載流子工作的器件，元件的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高通態(tài)電阻增大，使漏極電流能隨溫度升高而下降，因而不存在電流集中和二次擊穿的限制，有較寬的安全工作區(qū)。P-MOSFET的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍框成。2.5絕緣柵雙極晶體管

（IGBT）2.5.1結(jié)構(gòu)與工作原理1．結(jié)構(gòu)雙極型的GTR和GTO的特點(diǎn)是電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。單極型的MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是采用電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。2．工作原理IGBT是以PNP型厚基區(qū)GTR為主導(dǎo)元件、N溝道MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓電路結(jié)構(gòu)器件，Rdr為GTR基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷由柵極電壓控制。2.5.2工作特性1．靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移特性。2．動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性即開(kāi)關(guān)特性，其開(kāi)通過(guò)程主要由其MOSFET結(jié)構(gòu)決定。2.5.3擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)1．擎住效應(yīng)在IGBT管內(nèi)存在一個(gè)由兩個(gè)晶體管構(gòu)成的寄生晶閘管，同時(shí)P基區(qū)內(nèi)存在一個(gè)體區(qū)電阻Rbr，跨接在N+PN晶體管的基極與發(fā)射極之間，P基區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在其上產(chǎn)生壓降，在J3結(jié)上形成一個(gè)正向偏置電壓。若IGBT的集電極電流IC大到一定程度，這個(gè)Rbr上的電壓足以使N+PN晶體管開(kāi)通，經(jīng)過(guò)連鎖反應(yīng)，可使寄生晶閘管導(dǎo)通，從而IGBT柵極對(duì)器件失去控制，這就是所謂的擎住效應(yīng)。2．安全工作區(qū)IGBT開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，均具有較寬的安全工作區(qū)。IGBT開(kāi)通時(shí)對(duì)應(yīng)正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）。2.5.4IGBT驅(qū)動(dòng)電路以EXB系列集成模塊驅(qū)動(dòng)IGBT為例，該專(zhuān)用模塊比分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路工作更可靠，效率更高。該例具有過(guò)流檢測(cè)、保護(hù)及軟關(guān)斷功能。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，腳5出現(xiàn)低電平，光耦SOI有輸出，從而提供一個(gè)封鎖信號(hào)。該信號(hào)使PWM驅(qū)動(dòng)脈沖輸出轉(zhuǎn)化成一系列窄脈沖，對(duì)EXB840實(shí)行軟關(guān)斷。腳號(hào)功

能

說(shuō)

明腳號(hào)功

能

說(shuō)

明1與IGBT的發(fā)射極相接；連接用于反向偏置電源的濾波電容7、8不接

2電源端，一般為20V9電源地端

3驅(qū)動(dòng)輸出，經(jīng)柵極電阻RG與IGBT相連

10、11不接4外接電容器，防止過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)誤動(dòng)作

12、13不接5內(nèi)設(shè)的過(guò)電流保護(hù)電路輸出端

14驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（－）

6經(jīng)快速二極管連到IGBT集電極。監(jiān)視集電極電平，作為過(guò)流信號(hào)之一

15驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+）

2.6功率集成電路（1）高壓集成電路（HighVoltageIC，HVIC）

一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。（2）智能功率集成電路（SmartPowerIC，SPIC）

一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。（3）智能功率模塊（IntelligentPowerModule，IPM）

則專(zhuān)指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱(chēng)智能IGBT（IntelligentIGBT）。序號(hào)端子符號(hào)含義

PN變頻裝置主電源輸入端P：＋端N：-端

B制動(dòng)輸出端子，減速時(shí)用以釋放再生電能的端子

UVW變頻器三相輸出端1VupcU相上橋臂驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

－端2UFoU相上橋臂保護(hù)電路動(dòng)作異常信號(hào)輸出3UpU相上橋臂控制信號(hào)輸入端4Vup1U相上橋臂驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

＋端5VvpcV相上橋臂驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

－端6VFoV相上橋臂保護(hù)電路動(dòng)作異常信號(hào)輸出7VpV相上橋臂控制信號(hào)輸入端8Vvp1V相上橋臂驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

＋端9VwpcW相上橋臂驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

－端10WFoW相上橋臂保護(hù)電路動(dòng)作異常信號(hào)輸出11WpW相上橋臂控制信號(hào)輸入端12Vwp1W相上橋臂驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

＋端13Vnc下橋臂共用驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

－端14Vn1下橋臂共用驅(qū)動(dòng)電源(Ucc)輸入端

＋端15BR制動(dòng)單元控制信號(hào)輸入端16UnU相下橋臂控制信號(hào)輸入端17VnV相下橋臂控制信號(hào)輸入端18WnW相下橋臂控制信號(hào)輸入端19Fo下橋臂和制動(dòng)單元保護(hù)電路動(dòng)作異常信號(hào)輸出2.7DC-DC直直變換器2.7.1DC-DC變換的基本控制思路DC-DC變換又稱(chēng)直流斬波，它將大小固定的直流電壓變換成另一種直流電壓。直流斬波技術(shù)可以用來(lái)降壓、升壓和變阻，已被廣泛應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、蓄電池充電、開(kāi)關(guān)電源等方面，特別是在車(chē)輛驅(qū)動(dòng)上，如電動(dòng)汽車(chē)、地鐵、電氣機(jī)車(chē)、無(wú)軌電車(chē)、電叉車(chē)等。1.脈寬控制斬波頻率固定（即T不變），改變導(dǎo)通時(shí)間

ton實(shí)現(xiàn)

α變化、控制輸出電壓U0大小的方法稱(chēng)為脈寬調(diào)制（直流PWM），又稱(chēng)定頻調(diào)寬。

2.滯環(huán)控制滯環(huán)控制又稱(chēng)瞬時(shí)值控制，是將期望值或波形作為參考值

，規(guī)定一個(gè)控制誤差e，當(dāng)斬波器實(shí)際輸出瞬時(shí)值達(dá)指令值上限

+e時(shí)，關(guān)斷斬波器；當(dāng)斬波器實(shí)際輸出瞬時(shí)值達(dá)指令值下限

-e時(shí)，導(dǎo)通斬波器，從而獲得圍繞參考值

U*在誤差帶2

e范圍內(nèi)的斬波輸出。2.7.2BUCK電路Buck變換電路是一種降壓型DC-DC變換器，即其輸出電壓平均值恒小于輸入電壓E，主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，直流電機(jī)速度控制，以及需要直流降壓變換的環(huán)節(jié)。1．電流連續(xù)時(shí)電感電流連續(xù)iL時(shí)的有關(guān)波形及VT導(dǎo)通ton、關(guān)斷

toff兩工作模式下的波形。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。

2．電流斷續(xù)時(shí)2.7.2BOOST電路Boost變換電路是一種升壓型DC-DC變換器，其輸出電壓平均值

Uo要大于輸入電壓E，主要用于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電機(jī)能量回饋制動(dòng)中。同樣根據(jù)功率開(kāi)關(guān)器件VT的開(kāi)關(guān)頻率、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C的數(shù)值，電感電流

iL或負(fù)載電流

i0可能連續(xù)或斷續(xù)。

1．電流連續(xù)時(shí)

2．電流斷續(xù)時(shí)2.7.3BOOST-BUCK變換器1）輸出電壓Uo可以小于（降壓）、也可以大于（升壓）輸入電壓E；2）輸出電壓與輸入電壓反極性。Boost-Buck變換工作原理如下：1）當(dāng)開(kāi)關(guān)VT導(dǎo)通，二極管反偏截止時(shí)，輸入電壓E加在L上，電感從電源獲取能量，此時(shí)靠濾波電容C維持輸出電壓Uo不變，其極性為下正上負(fù)。2）當(dāng)開(kāi)關(guān)V