12.第十二章-汽车电力电子变换.pptx

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1、二零一四年二零一四年元月元月第十二章 汽车电力电子变换主讲：主讲：主讲：主讲：赵振宁赵振宁赵振宁赵振宁2说出电力二极管的控制条件。说出电力晶体管开关的控制条件。说出电力场效应晶体管开关的控制条件。说出双极型晶体管开关的控制条件。说出智能功率模块的控制条件。能在板下和板上在线测量电力二极管判断好坏。能在板下和板上在线测量电力晶体管判断好坏。能在板下和板上在线测量电力场效应晶体管判断好坏。能在板下和板上在线测量双极型晶体管判断好坏。能在板下和板上在线测量智能功率模块判断好坏。知识目标技能目标3第一节 电力电子技术一、什么是电力电子技术电力电子技术（）是电工技术的分支之一，本来并不是汽车专业学习的内

2、容，但近年来纯电动汽车、油电混合动力汽车、燃料电池汽车中的车用变频器采用了电力电子技术，所以有必要讲解一下这部分内容。4应用电力电子器件和以车用 为代表的控制技术，对电能（特别是大的电功率）进行处理和变换，是汽车电力电子技术的主要内容。汽车电力电子技术包括下面三大部分：）电力电子元器件：汽车上涉及电力二极管、固态继电器、电力晶体管、电力场效应晶体管和集成栅极的双极型晶体管。）车用电力电子换流技术：将直流电通过变频技术换流成三相正弦交流电，实现电机周期性的转矩波动最小。）直接转矩控制：如何将汽车上的混合动力控制 或纯电动汽车的整车控制 发到变频器的转矩值变成控制开关管导通时刻和导通时间的控制。第

3、一节 电力电子技术5二、电力电子器件及其发展概况1 年，普通晶体管的发明引起了电子工业革命。半导体器件首先应用于小功率领域，如通信、信息处理的计算机。年，从美国通用电气公司研制成功第一个工业用的普通晶闸管开始，大大扩展了半导体器件功率控制的范围。电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生，晶闸管为电力电子学科的建立立下汗马功劳。由于晶闸管不能自关断，属半控型，可算作第一代电力电子器件。至今晶闸管及其派生器件仍广泛应用于各种变流器中，并且还在发展中。由于包括晶闸管在内的电力电子器件具有体积小、重量轻、功耗小、效率高和响应快等

4、特点，用它构成的变流装置具有可靠性高、寿命长、容易维护等优点，特别是它可节约能源，所以得到飞速的发展。可以认为电力电子学就是应用在电力技术领域中的电子学，它是电气工程三大主要领域电力、电子和控制之间的边缘学科。第一节 电力电子技术6三、电力电子器件电力晶体管（）、门极关断（）晶闸管、电力场效应晶体管（）等，这些可称为第二代电力电子器件。新型电力电子器件种类繁多，汽车中采用的电力电子器件有双极型电力晶体管（）、电力场效应晶体管（）和集成栅极的双极型晶体管（，）。是在 和 之间取其长、避其短而出现的新器件，它实际上是用 驱动双极型晶体管，兼有 的高输入阻抗和 的低导通压降两方面的优点。第一节 电力

5、电子技术7目前，各类电力电子器件所达到的水平如下：电力晶体管：单管、；模块.、；.、。场效应晶体管：、。绝缘栅双极型晶体管：.、；.、。第一节 电力电子技术8四、功率集成电路在模块化和复合化思路的基础上，很自然的发展便是功率集成电路（，）。是电力电子技术与微控制结合的产物，它是指功率在 以上，功能上具有逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断的集成电路。分两类：高压集成电路（）和智能集成电路（）。前者是横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成，后者是纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。无论是哪一种，其采用的功率器件都有双极型器件（如晶体管）和单极型器件（如场效应晶体管），也有复合器件，而

6、控制电路大部分采用了 技术。第一节 电力电子技术9五、变流技术功能.整流器功能.变频器功能.斩波器功能第一节 电力电子技术10六、控制技术以往电力电子变流装置采用 模拟控制，其主要缺点是温漂大，调整不方便。现在已引入 位和 位计算机或专用的数字集成电路，使得控制性和精度大大提高。第一节 电力电子技术11七、本课程的任务与要求电力电子变流技术是汽车专业的专业基础课，主要研究有关各类变流装置中发生的电磁过程、基本原理、控制方法。为简化内容，关于设计计算及其技术经济指标等不在本书中讲解。电力电子变流技术课程的基本要求如下：）熟悉和掌握普通电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管（）电力电子器

7、件的工作机理。）熟练掌握 转换器和三相交流逆变电路的基本原理。第一节 电力电子技术12第二节 整流二极管一、概述13二、整流二极管类型.标准工频型（或普通型）整流二极管恢复特性慢但可获得高的电压和电流定额，如 、。多用作转换速度要求不高的整流器，包括电力牵引、蓄电池充电、电镀、电源、焊接和不间断电源等。.快速恢复二极管有短的恢复时间，适用于中等电压和电流范围（、），多用作高频开关应用，通常和其他快速器件连接在一起，在斩波、逆变电路中应用，多用作旁路二极管或阻塞二极管。因此，快速是重要的，反向恢复特性是其主要特性。第二节 整流二极管14二、整流二极管类型.肖特基势垒二极管它由金属半导体结所构成，

8、是多数载流子器件，它具有低导通电压和极短的开关时间的特性，但也有反向漏电流大和阻断电压低的局限性。目前的电流和电压范围为、，主要应用于高频、低压方面，如高频仪表和开关电源（计算机电源）。第二节 整流二极管15第三节 电力晶体管电力晶体管通常用 表示，是巨型晶体管 的缩写。电力晶体管即电流是由电子和空穴两种载流子运动而形成的，故又称为双极型电力晶体管。在各种自关断器件中，电力晶体管的应用最为广泛。在数百千瓦以下的低压电力电子装置中，使用最多的就是电力晶体管。16一、电力晶体管结构第三节 电力晶体管17第三节 电力晶体管18第四节 电力场效应晶体管一、什么是电力 小功率场效应晶体管有结型和绝缘栅型

9、两种类型。电力场效应晶体管也有这两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的 型，简称电力 （）。电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子（多数载流子）参与导电，是单极型晶体管。19第四节 电力场效应晶体管一、什么是电力 电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快、工作频率高，电力 的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。另外，电力 的热稳定性优于双极型电力晶体管。但是电力 电流容量小，耐压低，只适用于小功率电力电子装置。20二、电力 的结构第四节 电力场效应晶体管21三、电力 工作原理第四节 电力场效应晶体管22第五节

10、 绝缘栅双极型晶体管一、绝缘栅双极型晶体管（）绝缘栅双极型晶体管（，）是双极型电力晶体管和 的复合。电力晶体管饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压低。23二、模块第五节 绝缘栅双极型晶体管24第五节 绝缘栅双极型晶体管25第五节 绝缘栅双极型晶体管26第六节 栅极驱动一、栅极驱动电压27二、驱动电压对 中 的影响第六节 栅极驱动28三、一般驱动方式（）小功率的 驱动 采用自举 驱动，高频脉冲变压器，直流电压驱动。采用简单光耦的新型自举 驱动器。（）中等功率的 驱动 采用自举供电的光耦。采用隔离的

11、脉冲变压器以及复杂的 驱动系统。（）大功率 驱动采用隔离变压器的 驱动。采用 饱和压降进行过电流检测和管理的 驱动系统，包括软关断动作，以及分别采用不同的门极电阻进行开通和关断。第六节 栅极驱动29四、驱动设计规则）采用合适的开通和关断电阻。）考虑过电压和反向恢复电流。）门极和发射极的保护措施。）必须进行防静电处理。）电路的保护措施：包括门极和发射极间的电阻（.），双向稳压二极管（.），间加入小电容去掉振荡，必须考虑上下管同时导通的情况，因为 太高（米勒电容会产生一个电流），而且还改变集射极的电压（考虑到门限电压值），在门极和发射极中加入负电压进行关断可以避免这个问题。）上下桥臂 的开通和关断

12、延迟。第六节 栅极驱动30第七节 栅极驱动隔离一、栅极光电隔离31第七节 栅驱动隔离一、栅极光电隔离32第七节 栅驱动隔离33二、栅极变压器隔离第七节 栅驱动隔离34第七节 栅驱动隔离35第八节 保护电路一、的失效机制 的失效机制包括以下四点：）绝缘栅结构在高温情况下会失去绝缘能力。）由于硅芯片与铝导线之间热膨胀系数的差异，在输出电流剧烈变化时，铝导线与硅芯片之间的接触面会形成热应力，从而造成裂纹，并会逐步导致铝线断裂。）由于处于芯片和散热铜底板间的陶瓷绝缘 导热片的热膨胀系数和散热铜底板的热膨胀系数不同，在底板温度不断变化时，连接两种材料的焊锡层会形成裂纹，从而导致散热能力下降，进而导致 温

13、度过高而失效。）振动可能造成陶瓷片破裂，从而降低散热能力和绝缘能力。36二、失效原因分析.过热损坏集电极电流过大引起的瞬时过热及其他原因（如散热不良导致的持续过热）均会使 损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度（约），器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致 失效。实际运行时，一般最高允许的工作温度为 左右第八节 保护电路37.超出关断安全工作区超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏。擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。为 四层结构，体内存在一个寄生晶闸管，在 晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻，型体内

14、的横向空穴电流在 上会产生一定的电压降，对 基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正向偏置电压不大，对 晶体管不起任何作用。第八节 保护电路38当集电极电流增大到一定程度时，该正向偏置电压足以使 晶体管开通，进而使 和 晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，很大，引起较大位移电流，流过，产生足以使 晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁。第八节 保护电路39.瞬态过电流 在运行过程中所承受的大幅

15、值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加 的负担，也可能会导致 失效。.过电压过电压会造成集电极、发射极间击穿。过电压也会造成栅极、发射极间击穿。第八节 保护电路40三、保护方法.封锁栅极电压封锁栅极电压即不再控制 导通。作为一种大功率的复合器件，存在着过电流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过电流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化率会引起过电电压，为此需要采用软关断技术，因而掌握好 的驱动和保护特性是十分必要的。的过电流保护电路可分为两类：一是低倍数的（.

16、倍）的过载保护；二是高倍数（可达 倍）的短路保护。第八节 保护电路41.过载（过电流）保护 能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该 的饱和导通压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和导通压降小于 的 允许承受的短路时间小于，而饱和导通压降 的 允许承受的短路时间可达，时可达 以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的二次方加大，造成承受短路的时间迅速减小。过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有 驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保

17、护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。第八节 保护电路42（）过电流保护措施通常采取的保护措施有软关断和降栅压两种：）软关断：指在过电流和短路时，直接关断。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过电流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的 增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。第八节 保护电路43）降栅压：旨在检测到器件过电流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延

18、长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。上述降栅压的方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系，而在实际过程中，降栅压的速度也是一个重要因素，它直接决定了故障电流下降的。慢降栅压技术就是通过限制降栅压的速度来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的 和 的峰值。第八节 保护电路44（）短路检测方式一般的短路检测方式是电流传感法或 欠饱和保护。欠饱和法在 模块保护中讲解第八节 保护电路45第九节 智能功率模块一、智能功率模块（）简介智能功率模块（，）是在 的外围集

19、成了驱动和诊断电子电路，从而实现驱动和诊断的功能。随着 的工作频率在 的硬开关及更高的软开关应用中，智能功率模块（）代替了 和。46二、智能功率模块（）功能具体功能有栅极驱动、短路保护、过电流保护、过热保护和欠电压锁定。第九节 智能功率模块47三、的保护方法.控制电源欠电压（）锁定欠（低）电压（，）保护：如果某种原因导致控制电压符合欠电压条件，该功率器件会关断 并输出故障信号。如果毛刺电压干扰时间小于规定的（）则不会出现保护动作。.过热（）保护过热（，）保护：在绝缘基板上安装有温度探头或测温二极管，如果超过数值则 会截止栅极驱动，直到温度恢复正常（应避免反复动作）。第九节 智能功率模块48三、

20、的保护方法.过电流（）保护过电流（，）保护：如果 的电流超过数值，并大于时间（）（典型值为），被关断。超过 数值，但时间小于（）的电流，并无大碍，故 不予处理。当检测出过电流时，会被有效软关断。.短路（）保护短路（，）保护：当发生负载短路或上下臂直通时，立即关断 并输出故障信号。注：过电流采样和短路采样采用同一回路。第九节 智能功率模块49四、驱动第九节 智能功率模块50第九节 智能功率模块51第九节 智能功率模块52第九节 智能功率模块53第十节 的使用和检查一、使用注意事项54二、过载使用 不会轻易地炸，如果因为过电压、过电流触发的紊乱而炸，那是变频器的制作水平问题了。一般采用 作为整流或

21、者逆变电路的元器件，里面都有对元器件的自诊断、自保护功能，很偶然地才会炸，大多数情况是保护起作用，自动封锁功率器件。不信你可以对将变频器的输出短路，然后上电，它会立即报故障，而不会炸。这就是 的抗短路功能。其保护的速度是很快的，比快速熔断器还要快。这就是当今的 的一大亮点。不怕短路，但是它害怕过热（过载）。如果过载使用，自身就没有保护了（变频器对它的热保护也是比较薄弱的），需要注意它的散热条件、环境温度、长期连续的工作电流选择和限制。第十节 的使用和检查55三、极性测量判断极性首先将万用表置于 档，用万用表测量时，若某一极与其他两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其他两极的阻值仍为无穷大，则判断

22、此极为栅极（）。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，红表笔接的为集电极（），黑表笔接的为发射极（）。第十节 的使用和检查56四、如何检测判断 的好坏如何检测判断 的好坏。的好坏可用指针式万用表的 档来检测，或用数字式万用表的“二极管”档来测量 结正向电压进行判断。检测前先将 三只引脚短路放电，避免影响检测的准确度；然后用指针式万用表的两支表笔正反测、两极及、两极的电阻，对于正常的 （正常、两极与、两极间的正反向电阻均为无穷大；内含阻尼二极管的 正常时，、极间均有 正向电阻），上述所测值均为无穷大。最后用指针式万用表的红表笔接 极，黑笔接

23、极，若所测值在.左右，则所测管为含阻尼二极管的，若所测值在 左右，则所测 内不含阻尼二极管。对于数字式万用表，正常情况下，的、极间正向电压约为.。综上所述，内含阻尼二极管的 检测接除上述以外，第十节 的使用和检查57四、如何检测判断 的好坏综上所述，内含阻尼二极管的 检测接除上述以外，其他连接检测的读数均为无穷大。测得 三个引脚间电阻均很小，则说明该管已击穿损坏；维修中 多为击穿损坏。若测得 三个引脚间电阻均为无穷大，说明该管已开路损坏。第十节 的使用和检查58五、变频器引起短路故障的原因.直通短路桥臂某一个器件（包括反并联的二极管）损坏或由于控制或驱动电路的故障，以及干扰引起驱动电路误触发，造成一个桥臂中两个 同时开通。直通保护电路必须有非常快的速度，在一般情况下，如果 的额定参数选择合理，之内的过电流就不会损坏器件，所以必须在这个时间内关断。母线电流检测用霍尔传感器，响应速度快，是短路保护检测的最佳选择。检测值与设定值比较，一旦超过，马上输出保护信号封锁驱动。同时用触发器构成记忆锁定保护电路，以避免保护电路在过电流时的频繁动作。第十节 的使用和检查59.负载电路短路在某些升压变压器输出场合，二次侧短路的情况。.变频器输出直接短路在变频器输出的三相交流电压供电线间直接短路。第十节 的使用和检查606162636465谢谢谢谢