59319功率电子课件59319-5新能源汽车功率电子基础课件VEH03245-2

第2章基本概念,程夕明北京理工大学机械与车辆学院电动车辆国家工程实验室,办公室：车辆实验楼501C电子邮件：CXM2004微信：BITXMCHENG,目录,2.1电路的波形及其参数2.2半导体基础2.3理想开关的开关过程2.4续流和换流2.5硬开关的开关过程2.6软开关的开关过程2.7脉冲宽度调制原理2.8直流开关2.9电路的状态平均2.10热阻,2.1电路的波形及其参数波形参数,周期2.频率3.幅值指物理量在一个周期内出现的最大绝对值，也叫峰值。4.峰峰值指物理量在一个周期内出现的最大值和最小值之差的绝对值。5.平均值6.有效值,2.1电路的波形及其参数波形参数自学,学习波形参数的计算方法直流，正弦波，三角波，矩形波。学习案例例2-1至例2-7。3.作业习题二，2.1。,2.1电路的波形及其参数谐波定义,1.数学基础：傅里叶级数2.基波指频率为的傅里叶级数分量。3.谐波指频率为的整数倍（1）的傅里叶级数分量。4.总畸变率THD,2.1电路的波形及其参数谐波案例（1）,例2-8频率为50Hz、幅值为10A的方波电流的波形如图2.12(a)上图所示，求：（1）方波电流的基波和谐波的数学表达式。（2）方波电流的总畸变率。,解题思路：（1）掌握谐波的定义；（2）应用傅里叶级数表达方波电流；（3）熟记有效值计算公式；（4）总畸变率THD计算公式；（5）采用Matlab绘制波形。,2.1电路的波形及其参数谐波案例（2）,2.2半导体基础概念（1）,阶电子原子最外层的电子，决定物质的稳定性；阶电子少于8个的物质，其性质不稳定。半导体4个阶电子的物质，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅和锗。本征半导体高度提纯、晶体结构完整的半导体单晶体，自由电子密度1081019/cm-3。共价键在本征半导体里，某原子的任意一个价电子为与其相邻原子所共有，这样就形成了半导体晶体中的“共价键”。,图2.13四阶硅原子的共价键,自由电子原子的阶电子受到外部能量的作用，脱离共价键束缚而自由运动，这样的阶电子就成为了自由电子，这个过程称为激发。空穴阶电子激发后成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位，称为空穴。载流子带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴，成为本征半导体的电子空穴对，它们称为载流子。,图2.14电子空穴对,2.2半导体基础概念（2）,掺杂（1）减小本征半导体的电阻率（2）掺入微量的其它适当的元素（3）不改变本征元素的晶体结构（4）掺杂原子替代本征原子（5）室温产生大量的载流子杂质电离杂质原子施放或接受电子而成为离子的过程。N型半导体（Negative）（1）杂质比本征原子价电子多（2）自由电子为多数载流子（3）杂质原子电离后为正离子（4）呈电中性,2.2半导体基础掺杂（1）,图2.15N型半导体,P型半导体（Positive）（1）杂质比本征原子的价电子少（2）空穴为多数载流子（3）自由电子为少数载流子（4）杂质原子电离后为负离子（5）呈电中性杂质半导体（1）本征半导体掺入微量元素（2）具有本征半导体的晶体结构（3）自由电子和空穴不平衡（4）正或负离子不是载流子（5）室温就具备导电能力（6）半导体器件的基础材料,图2.16P型半导体,2.2半导体基础掺杂（2）,PN结形成（1）同一本征半导体掺杂为P型和N型半导体（2）高浓度多子的扩散运动（3）多子扩散建立空间电荷区（4）N区正离子和P区负离子建立内电场（4）内电场促使少子漂移运动（5）内电场阻碍多子扩散（6）多子扩散和少子漂移动平衡耗尽层PN结中两种载流子几乎完全中和的区域。势垒PN结的内电场和电位差。,2.2半导体基础PN结形成,图2.17PN结,PN结正向偏置（1）内外电场方向相反，势垒区变窄；（2）多子的扩散运动增强；（3）少子的漂移运动减弱；（4）电荷存储效应。PN结反向偏置（1）内外电场方向一致，势垒区拓宽；（2）多子的扩散运动减弱；（3）少子的漂移运动增强；（4）少子抽取作用。,2.2半导体基础PN结偏置,图2.17PN结,PN结的单向导电性：正向导通，反向截止。,2.2半导体基础PN结伏安特性,图2.18PN结的I-V曲线,势垒电容PN结中储存的空间电荷随外加电压的变化而改变产生的电容效应。,扩散电容PN结中非平衡少子浓度分布随外加电压的变化而改变产生的电容效应。,（1）PN结正向偏置时，正向电阻小，CJ以扩散电容为主；（2）PN结反向偏置时，反向电阻大，CJ为势垒电容；（3）CJ影响PN结的工作频率，特别是高速的开关状态；（4）CJ一般为1pF，功率半导体器件的CJ可超过100pF。,结电容PN结的势垒电容和扩散电容之和，称为PN结的结电容。,2.2半导体基础PN结寄生电容,PN结击穿当反向偏置电压增大到某一数值时，PN结的反向电流骤大的现象。,雪崩击穿PN结反偏时，势垒区的电子和空穴受到强电场的作用，获得足够大的动能，与势垒区的晶格原子发生碰撞，使电子从共价键中脱离成为自由电子，并产生空穴；这些电子和空穴继续在强电场作用下，继续发生碰撞，载流子倍增；当反向电压达到某一数值后，载流子的倍增发生雪崩现象，载流子骤增，反向电流急剧增大，从而发生PN结击穿。,隧道击穿PN结反偏时，势垒区导带和价带的能隙变窄，大量的P区价带中的电子有一定的几率直接穿透能隙而到达N区导带中，反向电流大增，这样的击穿效应称为隧道击穿，也叫齐纳击穿。,热击穿PN结反偏时，反向电流所引起的结温上升，结温上升又导致反向电流和热损耗增加，恶性循环，直到PN结烧毁的击穿现象叫热击穿。,2.2半导体基础PN结击穿,二极管的参数：最大整流电流IF；反向工作峰值电压URM；反向峰值电流IRM；最大正向压降UF。,2.2半导体基础二极管介绍,（a）（b）图2.19二极管：（a）PN结示意图，（b）电气符号,2.2半导体基础二极管理想模型,（a）（b）图2.20二极管的近似伏安特性曲线（a）理想特性曲线，（b）准理想特性曲线,2.2半导体基础二极管例题,例2-9二极管VD与电阻R串联的电路如图2.21所示，二极管的型号为IN4001。（1）当电源us为直流12V时，估算电阻R的阻值。（2）采用(1)的电阻，当电源us为幅值12V和频率50Hz的正弦波时，估算二极管VD的电流平均值、电流有效值和最大功耗。（3）绘制（2）中的二极管VD的电压波形。,图2.21例2-9的电路,解题思路：（1）查阅二极管IN4001的技术规格；（2）获取IN4001的定额工作参数；（3）由额定电流估算电阻R；（4）运用波形参数计算公式；（5）采用Matlab绘制波形。,2.2半导体基础二极管例题（1）,图2.21例2-9的电路,解：（1）查阅二极管IN4001的技术规格,2.2半导体基础二极管例题（2）,图2.21例2-9的电路,解续：（2）运用波形参数计算公式由于正弦波的交变特性，运用二极管VD的单向导电特性，写出其电流计算公式。,2.2半导体基础二极管例题（3）,图2.21例2-9的电路,解续：（2）运用波形参数计算公式由于正弦波的交变特性，运用二极管VD的单向导电特性，由电流计算公式，写出二极管的功率表达式。,因此，二极管的最大功耗1W。,2.2半导体基础二极管例题（4）,图2.22例2-9的二极管电压波形,解续：（3）采用Matlab绘制端电压波形,1.3理想开关的开关过程理想开关,理想开关的条件（1）导通状态时，开关电压为零。（2）关断状态时，开关电流为零。（3）开关功率和时间为零。（4）高速、长时间反复导通与关断，开关不损坏。,2.3理想开关的开关过程电感负载（1）,图2.23恒压源下的理想开关与电感串联的电路,2.3理想开关的开关过程电感负载（2）,图2.24电感负载下理想开关的电压电流曲线（a）开关从关断到导通,2.3理想开关的开关过程电感负载（3）,图2.24电感负载下理想开关的电压电流曲线（b）开关从导通到关断,2.3理想开关的开关过程电容负载（1）,图2.25恒流源下的理想开关与电容并联,2.3理想开关的开关过程电容负载（2）,图2.26电容负载下理想开关的电压电流曲线（a）开关从关断到导通,2.3理想开关的开关过程电容负载（2）,图2.26电容负载下理想开关的电压电流曲线（b）开关从导通到关断,2.4续流和换流续流（1）,图2.27电感的二极管续流电路,2.4续流和换流续流（2）,图2.28二极管续流电路的电压电流曲线：（a）理想开关,2.4续流和换流续流（3）,图2.28二极管续流电路的电压电流曲线：（b）电感,图2.29功率电子电路的换流原理：（a）电路,2.4续流和换流换流（1）,图2.29功率电子电路的换流原理：（b）电流波形,2.4续流和换流换流（2）,2.4续流和换流换流（3）,图2.30功率电子电路的换流过程（a）T1、T4电流；,2.4续流和换流换流（4）,图2.30功率电子电路的换流过程（b）D2、D3电流；,2.4续流和换流换流（5）,图2.30功率电子电路的换流过程（c）T2、T3电流；,2.4续流和换流换流（6）,图2.30功率电子电路的换流过程（d）D1、D4电流；,实际功率电子电路的换流特性（1）器件开通过程与器件的关断过程并存。（2）存在能量存储与释放的过程。（3）不可能瞬间完成。（4）换流前后的两个电路存在稳态间的暂态过程，即为换流过程。,2.4续流和换流换流（7）,2.5硬开关的开关过程特征,感性电路的导通过程（1）电压突变；（2）浪涌电流；（3）导通损耗Pon。,感性电路的关断过程（1）电流突变；（2）浪涌电压；（3）关断损耗Poff。,硬开关过程特点（1）电压电流变化过程重叠；（2）浪涌电压或电流；（3）开关损耗；（4）电磁噪声；（5）EMI。,注意点（1）电感电流为非零状态。（2）二极管的反向恢复电流。（3）寄生电容。,2.5硬开关的开关过程开通,图2.32硬开关开通过程的电压、电流和功率曲线,图2.31硬开关开通过程的斩波电路,注意点（1）关断时间。（2）寄生电感。,2.5硬开关的开关过程关断,图2.33硬开关关断过程的电压、电流和功率曲线,图2.31硬开关开通过程的斩波电路,2.6软开关的开关过程定义,定义在原半导体开关电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，减小或消除电压、电流的重叠，使得开关损耗为零或趋近于零。,作用降低开关损耗；减小电压或电流浪涌；消除电磁噪声和EMI。,类型ZCS：零电流开关；ZVS：零电压开关。,2.6软开关的开关过程ZCS,图2.34ZCS开通过程,图2.35ZCS关断过程,2.6软开关的开关过程ZVS,图2.36ZVS关断过程,图2.37ZVS开通过程,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理定义（1）,定义利用功率半导体开关器件的开通和关断，把直流电压变成一定周期和宽度的电压脉冲序列，以实现变压、变流、变频、控制和消除谐波的目标。,类型,图2.38中心对称型PWM信号和边沿对称型PWM信号,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理定义（2）,图2.39一个PWM信号,PFM将占空比为50%，频率可调的PWM信号称为脉宽频率调制（PFM）信号。,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理定义（2）,图2.41PWM信号的发生（a）中心对称型，（b）边沿对称型,（a）,（b）,定义对于电压源供电的负载，通过周期固定的PWM斩波信号，调节PWM占空比，能够改变负载的平均电压，实现负载输出功率的可调。,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理直流斩波（1）,举例,图2.42电阻负载的PWM直流斩波控制（a）电路；（b）PWM电压波形,(a),(b),举例给定电阻丝的平均功率PR,AVE，求功率晶体管VT的占空比。,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理直流斩波（2）,解：在功率晶体管VT导通时，电阻丝的电流为,在功率晶体管VT导通时，电阻丝的功率为,在功率晶体管VT关断时，电阻丝的功率为0。因此，电阻丝的平均功率为,这样，功率晶体管VT的占空比为,RL电路的脉冲响应,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理SPWM（1）,如何将直流电通过电路变换成交流电？比如电动汽车的动力蓄电池组的高压直流电用来给交流感应电动机供电。,图2.43感性电路及其脉冲电压：(a)电压窄脉冲，(b)惯性电路,（a）电压窄脉冲,（b）惯性电路,RL电路的脉冲响应,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理SPWM（2）,图2.44电压窄脉冲及其感性电路的电流响应曲线,（a）电压窄脉冲,（b）电流响应,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理SPWM（3）,图2.44电压窄脉冲及其感性电路的电流响应曲线,（c）500us电流响应,面积等效原理冲量（窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲作用在具有惯性的环节（感性电路）上时，其效果（环节的输出响应波形）基本相同。,RL电路的脉冲响应,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理SPWM（4）,图2.45面积等效原理脉冲序列（a）正弦波脉冲，（b）SPWM脉冲,SPWM与正弦波面积等效的电压矩形脉冲序列的宽度按正弦规律发生变化，这样的脉冲序列称为SPWM波形。,2.7脉冲宽度调制（PWM）原理SPWM（5）,图2.46正弦、矩形电压脉冲序列作用下的惯性负载电流响应：（a）正弦波18等分，（b）正弦波90等分,感性负载：R=1，L=1mH,2.8直流开关,图2.47直流开关电路（a）低边开关，（b）高边开关,2.9电路的状态平均定义,状态平均（1）定义：对功率变换器的电压、电流等状态变量，进行开关周期平均运算，保留原信号的低频部分，而滤除开关频率、谐波频率等高频分量。（2）开关周期平均算子,周期稳定状态（PSS）当每个PWM开关周期完成后，功率电子电路的状态回到起点和终点的相同的一点，此时功率电子电路进入了周期稳定状态（PeriodStabilityState，PSS）。,其中，x(t)为功率电子电路的状态变量，Ts为PWM周期。,欧姆定律,状态平均的KVL回路方程,状态平均的KCL节点方程,结论（1）开关周期算子适用于描述电阻、电