新能源汽车功率电子基础（第2版）课件：电路波形与功率半导体器件

电路波形

与功率半导体器件

目录2.1电路的波形及其参数

表征参数、解析方法、谐波2.2功率半导体器件

类型、工作原理、应用特征、稳态模型、仿真2.3直流开关

型式、电路原理、典型应用2.1电路的波形及其参数—波形参数周期频率幅值：指物理量在一个周期内出现的最大绝对值，也叫峰值。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。平均值有效值2.1电路的波形及其参数—波形参数自学内容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。作业

习题二，2.1。

2.1电路的波形及其参数—谐波定义

数学基础：傅里叶级数（同济大学V7.高等数学下.307-321）基波指频率为ω的傅里叶级数分量。

谐波指频率为ω的整数倍（>1）的傅里叶级数分量。总畸变率THD2.1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）图2.12方波电流及其基波、低次谐波2.2功率半导体器件—器件分类与发展（1）功率电子技术的发展史是以功率半导体器件的发展史为纲的。水银汞弧整流器电子真空管初始期半控期全控期水银汞弧可控整流器晶体管晶闸管PowerMOSFETGTOIGBTIGCTSiC/GaN2.2功率半导体器件—器件分类与发展（2）器件名称功率二极管晶闸管SCR功率MOSFETIGBT控制功能不可控型半控型全控型全控型门极驱动—电流型电压型混合型覆盖功率~10kW10kW~覆盖电压~100V650V~覆盖频率~1k~1MHz~20kHz典型应用整流斩波汽车低压电气车辆电驱动发展方向高频化、耐高温、低功耗、易驱动；硅基→宽禁带材料SiC、GaN。2.2功率半导体器件—器件分类与发展（3）*重庆大学：曾正，SiC功率器件的性能表征、封装测试与系统集成，中国电源学会第23届学术年会，深圳，2019年11月1日。2.2功率半导体器件—功率二极管概述（a）

（b）图2.13二极管：（a）电气符号，（b）伏安特性曲线阈值电压UTO

正向电流快速上升的临界电压，接近器件的通态压降，器件完全导通。击穿电压UBD

器件反向截止后，施加在器件两端使反向电流快速上升的临界电压。导通原理

PN结正向导通、反向截止。2.2功率半导体器件—功率二极管反向恢复特性图2.14功率二极管的反向恢复特性曲线根源器件正向导通时，少数载流子出现电荷存储效应。器件复合载流子，并反向抽取电荷，空间电荷区扩大至载流子动态平衡。

模型器件反向恢复过程可以描述为电荷、结电容的非线性变化。

表征反向恢复电荷Qrr；反向恢复时间trr；反向恢复峰值电流IRM。

（a）

（b）

（c）图2.16功率二极管的近似伏安特性曲线:(a)理想,(b)准理想,(c)线性数据手册典型参数1）正向电流IF(AV)：在管壳温度Tc一定的条件下，通过器件的正弦半波电流的平均值。2）反向峰值电压UR：在器件两端所能施加的反向最大直流电压。3）结温Tj：指功率二极管的晶元的工作温度范围，比如﹣40～175℃。4）阈值电压UTO：在Tj一定的条件下，器件正向导通的门槛电压值。5）通态压降UF：在结温和正向通态电流一定的条件下，器件的正向压降。6）反向饱和电流IR：当Tj和UR一定时，流经器件的反向电流。2.2功率半导体器件—功率二极管模型与典型参数例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2.17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功率半导体器件—功率二极管应用案例（1.1）2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.2）解：（1）查阅二极管IN4001的技术规格，估算电阻R值。图2.17例2-9的电路解续：（2）运用波形参数计算公式，估算二极管电流、电压。

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。图2.17例2-9的电路2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.3）解续：（2）运用波形参数计算公式，估算二极管功率。

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。图2.17例2-9的电路2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.4）图2.18例2-9的二极管电压波形:(a)理想模型,(b)准理想模型解续：（3）采用Matlab绘制端电压波形

2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.5）2.2功率半导体器件—晶闸管概述（a）

（b）

（c）图2.19晶闸管:(a)电气符号,(b)伏安特性,(c)理想模型SCR工作原理1）若门极无电流脉冲触发信号，器件类似功率二极管行为。2）若门极有触发信号，器件正向导通所需的正向转折电压UFBD减小。3）正向导通：施加正向端电压和门极触发脉冲。4）导通擎住：器件正向导通后，门极触发信号不能使器件截止。5）反向截止：正向导通后，无门极触发脉冲，减小器件电流至0。正向转折电压反向击穿电压2.2功率半导体器件—晶闸管应用案例（1.1）【例

2﹣10】正弦交流电压源供电下，三只晶闸管分别与阻性负载、感性负载和容性负载串联的电路如图2﹣20所示。其中，us=311sin314t（V），ug1、ug2、ug3分别为晶闸管Q1、Q2和Q3的归一化理想触发脉冲信号，R1=R2=R3=3.11（Ω），L=20（mH），C=1350（μF）。

假设三只晶闸管的通态压降为0V，它们的控制角α为30°，试概略绘制各负载的电压和电流波形。图2.20晶闸管负载电路2.2功率半导体器件—晶闸管应用案例（1.2）图2.20晶闸管负载电路图2.21晶闸管负载波形a)触发脉冲，b)负载电压，c)负载电流控制角导通角2.2功率半导体器件—全控型开关概述（a）

（b）

（c）

（d）图2.22全控型器件电气符号

(a)N沟道增强型MOSFET,(b)P沟道增强型MOSFET,

(c)IGBT,(d)自定义符号全控型开关工作原理1）MOSFET：利用栅极电容电场效应控制漏源两极之间体区载流子通道（沟道）的形成，由电子或空穴沟道类型及其增强型或耗尽型栅极信号分成四种器件类型。2）IGBT：融合了MOSFET和晶体管的载流子形成与控制机理，相比功率MOSET，同时能建立两种载流子通道，其许用开关频率低、耐压高。3）自定义器件符号：3端表示门极信号控制端，32端之间电压ug为门极控制信号，输出电流io从1端流向2端的器件单向工作电流，输出电压uo表示器件12端的工作电压。2.2功率半导体器件—全控型开关静态工作特性（a）

（b）图2.23全控型开关静态工作特性曲线：（a）工作区，（b）理想特性全控型开关静态工作特性曲线1）输出特性、转移特性。2）四个工作区：截止区、准线性区、饱和区、击穿区。3）理想工作特性：截止状态的Ⅰ区与导通状态的Ⅱ区之间的双向切换，受控于器件门极信号ug。2.2功率半导体器件—全控型开关安全工作区图2.24全控型开关安全工作区全控型开关安全工作区1）器件的安全工作区SOA定义、分类。2）器件击穿：二次击穿、热击穿。3）直流工作极限曲线：欧姆限制线Ron。4）脉冲工作极限曲线：功耗。2.2功率半导体器件—全控型开关寄生器件功率MOSFET局部物理结构示意功率MOSFET寄生器件1）通态电阻RDS(on)。2）寄生极间电容。3）内部体二极管。4）寄生双极晶体管。IGBT内部物理结构示意IGBT寄生器件1）通态电阻RDS(on)。2）寄生极间电容。3）内部体二极管。4）寄生双极晶体管。5）寄生MOSFET。6）寄生SCR2.2功率半导体器件—全控型器件开关特性（a）

（b）图2.25全控型器件开关特性：（a）测试电路，（b）波形全控型器件开关特性1）开关特性波形依赖实际器件类型、工作机理、制造工艺和测试电路。2）器件导通、截止的电流和电压曲线存在交越，存在开通、关断损耗。3）器件的寄生电容、线路寄生电感、线路电阻的能量交换与散发，使得器件工作电流和电压波形在开关时刻出现振荡衰减现象。2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（1.1）【例

2﹣11】在交变方波电压源us供电下，Q1、Q2分别表示N沟道和P沟道增强型功率MOSFET，D1、D2分别是它们的反并联二极管，OP1为比较器，R1为电阻负载，O1、O2为门极驱动器，功率二极管、阻性负载、感性负载和容性负载串联的电路如图2.26所示。其中，us的幅值为5V、频率为10Hz，ug1、ug2分别为Q1和Q2的归一化理想触发脉冲信号，R1=2.5（Ω）。

假设功率半导体器件的通态压降为0，试分析电路的工作原理。图2.26N沟道和P沟道增强型功率MOSFET负载电路2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（1.2）图2.27功率MOSFET电路的负载波形a)交变方波,b)门极信号,c)器件与负载电流图2.26N沟道和P沟道增强型功率MOSFET负载电路2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（2.1）【例

2﹣12】在正弦交流电压源供电下，三只N沟道增强型功率MOSFET分别与功率二极管、阻性负载、感性负载和容性负载串联的电路如图2.28所示。其中，us=311sin314t（V），ug1、ug2、ug3分别为功率MOSFET器件的Q1、Q2和Q3的归一化理想触发脉冲信号，R1=R2=R3=3.11（Ω），L=10（mH），C=1350（μF），R=15.55（Ω）。假设功率MOSFET和功率二极管的通态压降为0，功率MOSFET的门极信号的起始角和终止角分别为30°和60°，试概略绘制各负载的电压和电流波形。图2.28N沟道增强型功率MOSFET负载电路2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（2.2）图2.28N沟道增强型功率MOSFET负载电路图2.29

N沟道增强型功率MOSFET电路波形a)触发脉冲，b)负载电压，c)负载电流2.2功率半导体器件—器件热阻热阻计算公式物体温升计算公式其中，热阻Rth的单位为K/W，d为物体的传热长度（m），A为物体的传热面积（m2），λth为物体的导热系数(W/(m∙K))。其中，加热功率PD的单位为W，温差ΔT的单位为K(℃)。2.2功率半导体器件—器件热阻应用案例晶元的结温计算为功率器件的温升为此时，35A的工作电流下，功率半导体开关的结温达到116℃，小于许用的器件操作温度Tjmax=125℃，器件能够安全工作。功率器件的功耗为解：【例

2﹣13】假设一个功率半导体开关（比如功率MOSFET）的最大操作温度Tjmax=125℃，通态电阻Ron=36mΩ，耐压UDS=100V，连续的工作电流ID=35A，晶元到环境的热阻RthJA=1.61K·W-1。试估计45℃环境温度条件的工作器件是否满足其温度工作范围？2.2功率半导体器件—器件等效热路各向同性等温体热平衡方程等效热路其中，热容Cth的单位为J/K，T为物体温度(K)，Qth为物体的生热量(W)，∆Ts为物体与环境温差(K)，ha为物体表面与环境的热交换系数(W/(m2∙K))，Rtha为物体与环境之间的等效热阻。图2.30

等效热路模型:a)并联，b)串联2.2功率半导体器件—等效热路应用案例（1.1）【例

2﹣14】如果例【2﹣13】的功率MOSFET的热容为1.0J·K-1，那么按图2.30a建立了一阶和二阶等效热路模型，如图2.31所示。其中，Qth表示热功率方波信号，幅值为88.2W，频率为100Hz；Cth1=1.0J·K-1，Rt