汽车电工电子基础（第3版） 课件 7.3新能源汽车电力电子器件与常见电路认知

7.3新能源汽车电力电子器件与常见电路认知项目七:汽车执行器与控制新能源汽车电子电路与常规电子电路差异几种功率半导体器件的适用范围IGBTBOOST升压电路1234项目实施51.新能源汽车电子电路与常规电子电路差异新能源汽车电子电路与常规电子电路的主要差异在于以下几个方面:(1)高压电路:新能源汽车引如了高压电源,动力蓄电池、驱动电机、控制器等核心部件的工作电压较高,一般在320-650V之间,北汽E系列电池组电压为320V,特斯拉电池组电压为402V,比亚迪电池组电压在500-650V之间(不同车型有差异)。这与传统的燃油车采用12V供电系统有明显区别。(2)动力部分电路:新能源汽车的动力由电池提供,因此其具有电源管理电路,这部分电路主要负责充放电的管理。由于新能源汽车的电流较大,因此这部分电路的导线都比传统燃油车要粗壮很多,电路板也更大。尽管传统的燃油车也有充放电管理电路,但与新能源汽车相比,这部分电路的设计规模明显较小。(3)电机驱动电路:新能源汽车还引入了电机驱动电路,这是其另一大特色新能源汽车用电机取代了发动机,为了获取更高的功率与效率,新能源汽车都采用了高压供电,因此需要有相应的电机驱动电路来控制电机的运行。2.几种功率半导体器件的适用范围常用的电力电子功率器件有,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶闸管(Thyristor)、可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)。GTO耐压高(4500V)、电流大(5000A)。GTR具有控制方便、开关时间短、导通电压低、高频特性好等优点。每种功率器件都有一定的适用范围,从控制频率高低、控制电流大小、适用电压范围来看IGBT基本能满足车用功率控制的需要,如图所示，新能源汽车常用IGBT作为电力电子控制器件,控制三相无刷电机工作。功率半导体器件工作电流电压与频率范围3.IGBTIGBT英文是InsulatedGateBipolarTransistor,中文意思是绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大:MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低,非常适合应用于电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。（1）简述IGBT在

www.alldatasheetcn.com网站查询车用

IGBT

模块FS450R12KE4的特性,断栅极电压VGE为

7V

时能不能控制

100A

电流通断。经过查阅资料我们得到如图所示,常温下7V的栅极电压只能让10A左右的电流勉强通过,电流再大就会导致IGBT发热严重。控制100A电流可采用12V的VGE车用电压,此时IGBT的导通电阻和压降都很小,发热少,控制可靠。（2）查询车用IGBT模块FS450R12KE4的特性IGBT控制信号栅极电压VGE与控制电流IC之间的特性图特别提示:学习电工电子必须善于通过器件手册查阅电子元器件特性,电路必须根据器件特性配置,才能实现相关功能。比如我们通过查阅资料知道FS450R12KE4最大电流为450A,那就不能在超过这个电流的条件下工作,否则一定会损坏电路。IGBT晶体管的结构要比MOSFET或BJT复杂得多。它结合了这两种器件的特点,并且有三个端子:一个栅极G、一个集电极C和一个发射极E。就栅极驱动而言,该器件的行为类似于MOSFET。它的载流路径与BJT的集电极-发射极路径非常相似。下图显示了n型IGBT的等效器件电路。（3）IGBT内部结构IGBT内部结构原理示意图IGBT的结构可简化视为一个PNP型三极管和一个N-MOSFET的组合。门及信号直接控制MOSFET的通断,当MOSFET导通时,会持续向PNP型三极管的基极抽取电流,实现PNP三极管的导通。当MOSFET关闭时,会掐断这一电流从而关闭PNP三极管。通过查阅数据手册,比较9013三极管、IRE540场效应管、IGW100N60H3型号IGBT,如下表所示。（4）比较三极管、场效应管、IGBT的区别升压电路是利用线圈的自感原理工作的。当我们给线圈通电,线圈电流形成磁场,断电后磁场消失.消失的磁场在线圈内部感应出高电压,然后通过下图电路实现低压转换为高压的过程DC-DC升压电路图中MOS场效应管就是一个开关,只要这个速度够快(开关频率够高),控制好导通与断开时间(充放电时间),配合输出滤波电容,就可以得到基本稳定的输出电压。4.BOOST升压电路控制信号高电位使场效应管导通,线圈通电产生磁场,然后控制信号低电位使场效应管断开,线圈磁场消失,并在线圈内感应出高电压,该电压与电源输入电压V叠加后,通过二极管给后面的滤波电容充电,并可输出给负载。由于二极管的存在,下一次场效应管接通时,滤波电容储存的高压并不会倒流,并且在下个电感线圈通断循环,会再次得到充电。一般会使用专门的电源芯片,实现场效应管通断控制,进而实现升压。5.项目实施1）电感线圈自感电动势仿真实验,DC-DC升压电路仿真实验。2）无刷电机驱动控制电路分析，了解新能源电机逆变桥控制原理。（1）任务布置步骤图示工作页1信号源:0~5V，周期50μs,高电位70%，上升下降1%灯光参数:10V,1W为便于观察实验结果.此处采用三极管作为开关.实际电路一般会根据需要采用场效应管或IGBT作为开关.控制线圈的通断。电路中的线圈为理想电感,电阻为0Ω,故串联了1mΩ电阻,防止仿真电路判断为电路短路而报错信号源设置为0~5V方波,升降斜率1%,占空比初始设置为50%.其他元件参数如图中所示。设置显示电感电流、信号波形电感输出电压。2个开关处于断开状态.此时可直接观察到电感输出自感电压可达到_______V。输出高电压时刻发生在三极管______时。你可以改变信号源的频率、占空比、线圈电感等参数.观察自感电动势的变化规律

1）电感线圈自感电动势仿真实验（2）任务步骤步骤图示工作页2如图所示,闭合第一个开关,自感电动势会经过二极管给电容充电,电容电压会_____，自感电动势最高值与之前相比也______了。同样的你可以改变各个电路参数,观察实验结果,并与同学和老师进行沟通,尽力作出解释3升压以后我们想得到一个比较稳定的高电压,所以需要进行稳压.在此我们采用稳压管稳压电路闭合电路中的第二个开关,开启稳压和负载电路。从图中可以看出,接入稳压和负载电路后,5V电源电压已经升高为10V稳定的电压输出,给10V的灯泡供电。你可以修改负载功率大小,观察不同负载大小电路是否都能将电压稳定在10V,并进行讨论?结论_____________________步骤图示工作页1下图是我们常见的新能源汽车电机逆变桥,一般情况下对于图中6个IGBT的控制都不做深入学习.但为了提供给同学们一个学习的路径和方法接下来将指导大家通过查资料.逐步了解电机逆变电路的更多知识.在具体知识点上不做过多详细解释.希望同学们能利用各种资源逐步构建自我学习能力2）无刷电机驱动控制电路分析步骤图示工作页2驱动逆变桥IGBT的芯片很多,这里我们选用英飞凌IR2101单桥高低驱动芯片,能同时控制如前述图中所示VT1、VT4的通断。我们可以到/网站查找芯片资料，或直接到英飞凌官网/cms/cn/查找该芯片资料.你将看到更多学习资源。搜索IR2101.可看到芯片内部原理图：芯片应用示例电路:图中两个场效应管分别对应逆变桥中VT1、VT4。HIN、LIN为由单片机输出的分别控制VT1，VT4的控制信号。HIN、LIN一般为5V占空比信号.而驱动IGBT需要______左右的电压信号,驱动芯片IR2101实现了电压转换,并产生了驱动上管的浮动电压。请查阅资料,解释二极管D1,和电容C2在电路中起什么作用?__________________________________________步骤图示工作页3步骤2分析了三相逆变桥单个桥的驱动,其他两个桥的控制原理