電力電子技術基礎 課件全套 第1-8章 緒論、電力電子器件 - -多級電能變換電路

第一章緒論主講教師：XXX直流電（DirectCurrent，簡稱DC），方向不隨時間變化。1747年，美國的富蘭克林提出電荷守恒定律，定義了正電和負電。1800年，意大利的伏打用鋅片與銅片夾以鹽水浸濕的紙片疊成電堆，這種裝置可以產生電流，被稱為伏打電堆。交流電（AlternatingCurrent，簡稱AC），方向隨時間周期變化。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律，并找到了制作交流電的方法。不久后，法拉第和皮克西等人發(fā)明了世界上第一臺能連續(xù)產生電流的發(fā)電機。電力電子技術本講PPT的部分圖片來源于網絡和其他文獻Q1：哪種形式好？Q2：電的形式是否需要轉換？Q3：電的形式是否能夠進行轉換？電力電子技術電力電子技術愛迪生特斯拉Q1：哪種形式好？A1：不一定；哪種形式更高效、更經濟

就用哪種Q2：電的形式是否需要轉換？A2：需要，一種形式無法包打天下Q3：電的形式是否能夠進行轉換？A3：電力電子電力電子技術選擇一：建很多小電廠，對一個大區(qū)域分散供電?選擇二：建幾個大電廠，對一個大區(qū)域集中供電？經濟性是重要考量因素?。?！在當時的技術條件下，選擇二最終勝出，其中變壓器是決定勝負的關鍵因素之一電源輸變電配電用戶電力電子技術電源輸變電配電用戶電力電子技術因為技術的進步，電源、輸電、用戶正在發(fā)生根本性的變化，其中，我國已在眾多領域走在了世界的前列，例如：新能源、高壓直流輸電、電動汽車電源輸變電配電用戶220V5V24V…電源電網側的固定電壓等級負載側所需的多種電壓等級電力電子2020年電能占終端能源消費比重達到27%左右，而其中約75%的電能需要經過電力電子設備的變換才能使用，未來這一比例會越來越高。

（數據來源：國家能源局）電力電子技術電力電子技術任何需要進行電流或電壓變換的地方，都需要用到電力電子。唯一例外

變壓器電力電子：一種通過在特定的電路結構中，周期性的改變電路中功率半導體器件的導通、關斷狀態(tài)，從而改變電能形式的科學技術。電力電子技術電力電子技術是電能變換的基礎，發(fā)電、輸電、用電均已離不開它。

電力電子技術的發(fā)展將持續(xù)提升人類對電能的利用能力：大到國防軍事、電氣化交通，小到家用電器、電子設備，均受益于電力電子技術的發(fā)展。電力電子技術電力電子無處不在電力電子電力電子技術電力電子技術經濟優(yōu)勢：等價距離直流輸電線造價低于交流輸電線路但換流站造價卻比交流變電站高得多。一般認為架空線路超過600-800km，電纜線路超過40-60km直流輸電較交流輸電經濟。隨著高電壓大容量可控硅及控制保護技術的發(fā)展，換流設備造價逐漸降低，等價距離縮短，使直流輸電近年來發(fā)展較快。1、高壓直流輸電電力電子技術經濟優(yōu)勢：線損電力電子技術經濟優(yōu)勢：環(huán)境電力電子技術2、風力發(fā)電電力電子技術3、光伏發(fā)電光伏發(fā)電是未來的主要電源思考：為什么？電力電子技術4、電動汽車思考：電動汽車是否會成為主流？會帶來什么問題？電力電子技術4、電動汽車電動汽車三大件：電池電驅電控電力電子技術5、電氣化軌道交通時速600kM磁懸浮列車地鐵電力電子技術6、水路交通電力電子技術7、空中交通Q：飛機到底用哪種動力好？多電飛機：飛機的二次能源用電能替代全電飛機：飛機的所有能源都是電能電力電子技術8、機器人電力電子技術9、各類電子負載植物生長燈充電器數據中心電源空氣凈化變頻空調醫(yī)療美容城市景觀照明變換形式對應名稱應用領域舉例AC/DC整流直流電機驅動、適配器、LED驅動等DC/DC直-直變換直流電源模塊、CPU電源等DC/AC逆變光伏逆變器、不間斷電源、電機驅動、電池儲能逆變器等AC/AC交-交變換變頻器、軌道交通驅動等電能變換形式電力電子技術電力電子技術電能變換基本過程一種連續(xù)的電能形式（直流/交流)另一種連續(xù)的電能形式(直流/交流)連續(xù)或離散的變換電力電子裝備由有源器件和無源器件組合而成名稱功能特點常見器件有源器件①自身消耗電能。②除了輸入信號外，還必須要有外加電源才可以正常工作。①

分立器件：三極管、場效應晶體管、晶閘管等；②模擬集成電路器件：集成運算放大器、比較器、模擬乘/除法器、集成穩(wěn)壓器等；③數字集成電路器件：基本邏輯門、觸發(fā)器、寄存器、譯碼器、單片機、dsp器件等無源器件①自身或消耗電能，或把電能轉變?yōu)椴煌问降钠渌芰俊＂谥恍栎斎胄盘?，不需要外加電源就能正常工作。電阻、電容、電感外還包括蜂鳴器、按鍵、繼電器、變壓器、揚聲器、開關、連接器、電線電纜、光纖、插座等。電力電子技術半導體器件二極管（不控）晶閘管（半控）晶體管（全控）電路DC-DCDC-ACAC-DCAC-AC控制PWM開環(huán)閉環(huán)應用適配器光伏逆變直流輸電

學習過程電力電子技術電力電子技術功率半導體器件不控型（二極管）半控型（晶閘管）全控型（晶體管）電力電子技術電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生電力電子技術電力電子技術不控型全控型半控型硅寬禁帶半導體（碳化硅、氮化鎵）金剛石功能性能半導體器件發(fā)展趨勢電力電子技術Q：如何組合有源器件和無源器件，構造電能變換拓撲？無源器件：是能量存儲的中介有源器件：實現(xiàn)0/1的操作，進而改變電能的形式只要通過組合能夠實現(xiàn)：電壓/電流方向不隨時間變化電壓/電流方向隨時間周期性變化電力電子技術舉例34脈寬調制(PWM)電力電子技術舉例35閉環(huán)控制電力電子技術舉例

630kW的光伏逆變器應用(con’t)要實現(xiàn)最優(yōu)的電能變換還要結合系統(tǒng)集成相關的散熱技術、通訊技術、采樣技術、保護技術等。因此，電子電子是一門多學科交叉的學科。針對某一種電能形式變換，有源器件和無源器件會組合成最適合的電路拓撲結構，再施以對應的控制方法。控制電路輸出輸入電力電子技術電力電子技術選擇合適類型的變換器電源電路的設計與組裝:選擇半導體器件，組裝變換器及其保護電路設計控制電路、隔離電路和驅動電路設計輸入輸出濾波器設計傳感器電路和信號放大轉換電路設計控制環(huán)路組裝整個系統(tǒng)如何設計電力電子產品更加深入廣泛的多學科交叉研究將促進電力電子技術的大發(fā)展。電力電子技術的持續(xù)進化和廣泛應用，在深度上，離不開碳化硅、氮化鎵器件等新一代半導體技術的發(fā)展，在廣度上，需緊密結合先進通訊、人工智能和物聯(lián)網等技術。我們有理由相信，不斷發(fā)展的電力電子技術將會持續(xù)地改善我們的生產和生活水平，同時也將助力于“碳達峰碳中和”偉大戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。PowerElectronics電力電子技術第二章電力電子器件主講教師：XXX電力電子技術問題思考：在工業(yè)系統(tǒng)和居民家庭中有很多不同種類的開關（Switch），包括常見的照明開關、繼電器、斷路器等，它們都可以控制電流的通斷?？煞袷褂眠@類開關構造電能變換電路？現(xiàn)代電力電子裝備并沒有選擇這類機械開關，而是選擇了功率半導體開關。功率半導體開關具有什么獨特優(yōu)勢，能夠占據電能變換電路的核心位置？功率半導體半導體開關是怎樣工作的？各功率半導體半導體開關有哪些優(yōu)缺點呢？本章PPT部分圖片源于網絡和其他文獻電力電子技術學習目標：(1)掌握電力電子器件的典型分類方法與各分類方法中典型的電力電子器件(2)能繪制功率二極管、MOSFET、IGBT和晶閘管的電路符號(3)了解典型電力電子器件的基本工作原理(4)理解典型電力電子器件的主要參數及其物理意義(5)熟悉常見的寬禁帶半導體器件及其優(yōu)點電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行復習變換器的組成：無源元件和有源器件變換器電力電子技術無源元件（無需外接電源）：電阻、電容、電感、變壓器（耦合電感）有源器件（需外接電源）：功率半導體開關、集成電路芯片（控制芯片、運算放大器）等電力電子器件優(yōu)點電力電子器件：功率半導體器件=功率半導體開關=開關管電力電子技術機械開關功率半導體開關相比機械開關，功率半導體開關速度快、壽命長相比常規(guī)半導體開關，功率半導體開關耐壓高、通流大、功率大常規(guī)半導體開關電力電子器件發(fā)展史電力電子技術電力電子器件是電力電子技術的基礎，也是其發(fā)展的“龍頭”晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞弧）整流器時代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生1957年，美國通用電氣(GE)公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管。標志著電力電子技術的誕生。60~70年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產品。普通晶閘管不能自關斷，屬于半控型器件。70年代中期，先后出現(xiàn)了BJT、GTO、功率MOSET等自關斷、全控型器件。自80年代中期，開發(fā)出的IGBT、90年代中期出現(xiàn)的IGCT等復合型器件。自90年代出現(xiàn)的功率集成電路、功率集成模塊，代表著電力電子的發(fā)展方向。電力電子器件分類電力電子技術不可控器件：無法控制其導通或關斷。

例子：功率二極管半控型器件：可以控制其導通但不能控制其關斷。例子：晶閘管全控型器件：既可控制其導通又可控制其關斷。例子：MOSFET、IGBT、BJT功率半導體器件（按受控情況分類）分類依據：導通/關斷受控情況、驅動電氣量、載流子參與導電情況電力電子器件分類電力電子技術電流控制型器件：在器件控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或關斷，工具頻率低。

例子：晶閘管、BJT電壓控制型器件：在器件控制端和公共端施加一定的電壓信號實現(xiàn)導通或關斷，工作頻率高。例子：MOSFET、IGBT功率半導體器件（按驅動電氣量）分類依據：導通/關斷受控情況、驅動電氣量、載流子參與導電情況電力電子器件分類電力電子技術單極型器件：只有一種載流子（電子或空穴）參與導電的電力電子器件，開關特性好。

例子：MOSFET雙極型器件：電子和空穴兩種載流子均參與導電的電力電子器件，電流容量大。例子：二極管、晶閘管、BJT復合型器件：結合了單極型和雙極型器件的優(yōu)點。例子：IGBT功率半導體器件（按載流子參與導電情況）分類依據：導通/關斷受控情況、驅動電氣量、載流子參與導電情況電力電子器件分類電力電子技術單象限器件：只能承受單方向電壓，流過單方向電流。

例子：

二極管、不帶反并聯(lián)二極管的IGBT、BJT兩象限器件：只能承受單方向電壓，流過雙向電流；或者能承受雙向電壓，僅流過單方向電流。

例子：帶反并聯(lián)二極管的IGBT、MOSFET四象限器件：能承受雙向電壓，流過雙向電流。例子：反串聯(lián)IGBT（第六章介紹）功率半導體器件（按電壓/電流象限）分類依據：運行的電壓/電流象限電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子技術電力電子器件的基礎——PN結為什么基于硅？硅元素極為常見，含量巨大（地球元素含量排行：氧>硅>鋁>鐵>鈣>鈉……）硅元素提純技術成熟，制作成本低硅元素的性質穩(wěn)定電力電子技術電力電子器件的基礎——PN結PN結制作流程單質硅從沙子或其他材料中提純高純度——可達99.999999999%摻雜（Doping）N型：電子（electron）

P型：空穴（hole）制造外延、擴散、離子注入等其他技術電力電子技術功率二極管是以半導體PN結為基礎的，實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。理想開關電力電子技術通態(tài)斷態(tài)理想通態(tài)：短路（通態(tài)電壓為0V），電流可以無限大，電流雙向流動。理想斷態(tài)：斷路（斷態(tài)電流為0A），電壓可以無限大，雙向耐受電壓。理想開關理想開關工作特性理想開關可四象限運行功率二級管——電路特性電力電子技術通態(tài)：外部施加正向電壓時導通，通態(tài)電壓接近0V，僅允許通過正向電流。斷態(tài)：外部施加反向電壓時關斷，斷態(tài)電流接近0A，僅承受反方向電壓。通態(tài)斷態(tài)陰極（Cathode）陽極（Anode）功率二極管：不可控器件，工作狀態(tài)由外電路決定。電力電子技術PN結的反向擊穿特性——分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。PN結反向擊穿時：若采取措施限制反向電流，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)——穩(wěn)壓二極管原理否則PN結會因過熱而燒毀，即發(fā)生熱擊穿——熱擊穿不可逆如何使用PN結的反向擊穿特性對負載進行過壓保護？參數/狀態(tài)正向導通反向截止反向擊穿電流大幾乎為零大電壓約1V高高阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)-功率二級管——反向擊穿特性電力電子技術PN結的電容稱為結電容CJ，又稱為微分電容。按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB

和擴散電容CD。勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。應用——合理利用PN結的電容效應，可以在集成電路內部制作硅基電容器。頻率特性是所有電子器件的關鍵特性之一。功率二級管——結電容電力電子技術額定正向平均電流IF(AV)指功率二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC

表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)

是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。反向重復峰值電壓URRM

指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。使用時，通常設計為額定電壓的1.5~2倍。最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ

表示。最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125～175℃范圍之內。反向恢復時間trr指從正向電流過零到反向電流下降到其峰值10%的時間間隔，與反向電流上升率、結溫和關斷前最大正向電流有關。浪涌電流IFSM指功率二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。功率二級管——主要參數電力電子技術功率二級管——穩(wěn)態(tài)特性主要是指其伏安特性正向電壓大到一定值（門檻電壓Uth），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降Uth。承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流IS。反向擊穿特性功率二極管伏安特性電力電子技術因為結電容的存在，電壓-電流特性是隨時間變化的，這就是功率二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性。正向恢復發(fā)生在二極管從關閉狀態(tài)快速切換到打開狀態(tài)時。在瞬態(tài)過程中，由于i區(qū)（空間電荷區(qū)）的初始電導率較低，二極管兩端會形成高正向電壓。隨著注入載流子濃度的增加，通過i區(qū)的電壓很快降低到正常二極管正向壓降。功率二級管——動態(tài)特性電力電子技術功率二級管——動態(tài)特性反向恢復發(fā)生在二極管從打開狀態(tài)快速切換到關閉狀態(tài)時：電力二極管并不能立即關斷，需要經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。延遲時間：td

=t1

-t0電流下降時間：tf

=t2

?t1反向恢復時間：trr

=td

+tf恢復特性的軟度：tf

/td，或稱恢復系數，用Sr

表示功率二極管反向恢復特性電力電子技術根據制造工藝和反向恢復特性，功率二極管通常分為三類：普通二極管、快恢復二極管和肖特基二極管。普通二極管（GeneralPurposeDiode），又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中，其反向恢復時間較長，一般在5us以上，正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高（幾千V&幾千A）。快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD），恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5us以下）。超快恢復二極管的恢復過程更短，可達100ns以下，甚至20~30ns。功率二級管——主要類型電力電子技術根據制造工藝和反向恢復特性，功率二極管通常分為三類：普通二極管、快恢復二極管和肖特基二極管。功率二級管——主要類型肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）屬于多子器件優(yōu)點在于：反向恢復時間很短（10~40ns），正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。缺點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。思考？為什么“快”恢復這么重要？電力電子技術功率二級管——典型應用功率二極管典型應用：整流、續(xù)流、電壓鉗位等。開關S1周期性導通/關斷，續(xù)流二極管Dm的存在，可以避免由電感電流突變引起的過電壓。續(xù)流應用電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行雙極型功率晶體管——基本結構電力電子技術BJT是一種全控型開關器件，其特點是耐高壓、大電流，適用于大功率場合。雙極型功率晶體管：BipolarJunctionTransistor，BJT，簡稱功率晶體管BJT原理圖由三層半導體構成，分為NPN型和PNP型兩種類型。通常兩個反向串聯(lián)的PN結是無法導通電流的。因此，在BJT的實際構造過程中需要對三層半導體做特殊處理。雙極型功率晶體管——基本結構電力電子技術P型半導體為基極，需滿足兩個條件，一是摻雜濃度比較低，二是要非常薄。以NPN型BJT為例NPN型BJT工藝示意圖作為發(fā)射極的N型半導體需要重摻雜，作為集電極的N型半導體需要適度摻雜。三層半導體的摻雜濃度不一樣且基極必須薄。雙極型功率晶體管——基本結構電力電子技術采用共射極連接方式，施加基極電壓后，通過在基極注入載流子，基極與射極的PN結正向偏置，導致大量電子注入基極并向集電極擴散。以NPN型BJT為例NPN型BJT導通時載流子擴散和流通示意圖反向偏置的集電極與基極間的PN結存在一個較大的電場，該電場會推動基極中的大量電子流入集電極，從而產生集電極電流，并使BJT導通。當基極電流消失后，基極中的載流子濃度不夠維持集電極電流繼續(xù)流通，BJT將關斷。雙極型功率晶體管——電路特性電力電子技術通態(tài)：外部施加正向電壓且門級施加控制電流時導通，通態(tài)電壓接近0V，僅允許通過正向電流。斷態(tài)：外部施加正向電壓且門級無控制電流時關斷，斷態(tài)電流接近0A，僅承受正方向電壓。通態(tài)斷態(tài)集電極（Collector）發(fā)射極（Emitter）雙極型功率晶體管：全控型器件，工作狀態(tài)由控制電路決定?；鶚O（Base）雙極型功率晶體管——主要參數電力電子技術額定電壓U(BR)CE指集電極-發(fā)射極之間的正向擊穿電壓值。同一個BJT的集-射極擊穿電壓與基極狀態(tài)有關?；鶚O開路時的集-射極擊穿電壓值U(BR)CE最低。在實際使用BJT時，為了確保不損壞，最高工作電壓要小于U(BR)CE，且要留有一定裕量。額定電流（最大允許電流）ICM指當電流增益（或電流放大倍數）下降到規(guī)定值的1/3?1/2時所對應的IC值。實際使用時要留有裕量，一般根據最大集電極電流的1.5倍來選擇額定電流。飽和壓降UCES指在規(guī)定集電極電流和基極電流下的集-射極之間的飽和壓降。與集電極電流、飽和深度以及結溫有關，這一參數直接影響B(tài)JT的導通損耗。最大耗散功率PCM指在最高工作溫度下允許的耗散功率。二次擊穿曲線與安全工作區(qū)（SOA）指BJT安全運行的工作范圍。雙極型功率晶體管——安全工作區(qū)電力電子技術一次擊穿：BJT的集電極電壓升高至上文所述的擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，首先發(fā)生的擊穿是雪崩擊穿，BJT不會損壞。以NPN型BJT為例BJT安全工作區(qū)示意圖二次擊穿：BJT在較短的時間內吸收的能量超過某一限額，產生局部過熱點，導致BJT的永久性損壞。安全工作區(qū)：最大擊穿電壓U(BR)CEO、集電極最大允許電流ICM、集電極最大耗散功率PCM和二次擊穿臨界線畫在雙對數坐標上。電力電子技術雙極型功率晶體管——穩(wěn)態(tài)特性主要是指輸入特性和輸出特性輸入特性：指Uce為定值時，ib與ube之間的函數關系曲線，它與二極管PN結的正向伏安特性曲線相似。當Uce

增大時，輸入特性曲線向右移動；當Uce>2V后，輸入特性曲線基本不變。電力電子技術雙極型功率晶體管——穩(wěn)態(tài)特性主要是指輸入特性和輸出特性輸出特性：集電極電流ic與集射極電壓uce之間的對應關系。在電力電子電路中，BJT通常工作在開關狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。β：ic/ib，電流放大系數，單管BJT的β值通常為10左右，達林頓接法可以增大β值。電力電子技術雙極型功率晶體管——動態(tài)特性雙極型功率晶體管：全控型器件，工作狀態(tài)由控制電路決定。BJT開通和關斷過程中的電壓、電流波形圖BJT的工作過程分為開通、導通、關斷、阻斷4個不同階段。開通階段：延遲時間td和上升時間tr之和稱為開通時間tON。延遲時間td：從施加基極電流開始到ic上升至其10%穩(wěn)態(tài)值所對應的時間。上升時間tr：tc繼續(xù)上升至其90%穩(wěn)態(tài)值所需的時間。電力電子技術雙極型功率晶體管——動態(tài)特性雙極型功率晶體管：全控型器件，工作狀態(tài)由控制電路決定。BJT開通和關斷過程中的電壓、電流波形圖關斷BJT時，需在基極施加反向驅動電壓以產生反向基極電流，有助于快速抽取基極存儲的過剩電荷，加快關斷速度。關斷時間tOFF：存儲時間ts和下降時間tf之和。存儲時間ts：存儲電荷的恢復時間。下降時間tf：ic下降至10%穩(wěn)態(tài)值所需時間。電力電子技術值得注意的是，上世紀50年代，用于信號放大的晶體管技術已經大放異彩，但受限于大電流高耐壓器件的工藝難度，直到70年代中期BJT才得以問世。但在BJT這種全控型器件問世之前，另外一種半控型器件——晶閘管——已經引領了電力電子技術的開端，直到今天仍在高壓大功率場景中占有一席之地。雙極型功率晶體管電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行晶閘管電力電子技術晶閘管：Thyristor，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier,SCR），簡稱為可控硅。1956年美國貝爾實驗室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產品。晶閘管能承受的電壓和電流是電力電子器件中最高的，而且工作可靠。晶閘管——基本結構電力電子技術晶閘管具有四層半導體和三個PN結。陽極（Anode）由P1引出，陰極（Cathode）由N2引出，門極（Gate）由P2引出。晶閘管原理圖晶閘管——基本結構電力電子技術晶閘管內部的P1、N1、P2三層半導體和N1、P2、N2三層半導體可以分別等效為PNP型和NPN型兩個晶體管。晶閘管原理圖晶閘管——基本結構電力電子技術雙晶體管模型：發(fā)射極電流較低時，NPN和PNP晶體管幾乎沒有放大能力；發(fā)射極電流建立后，放大能力迅速提高。晶閘管雙晶體管模型在晶閘管陽極和陰極之間施加電壓UAK，門極也加上足夠的門極電壓UG時，門極電流Ig在NPN型晶體管中產生放大的集電極電流Ic2。NPN型晶體管的集電極同時也是PNP型晶體管的基極，因此，Ic2流出PNP型晶體管的基極從而使PNP型晶體管導通。晶閘管——基本結構電力電子技術雙晶體管模型：發(fā)射極電流較低時，NPN和PNP晶體管幾乎沒有放大能力；發(fā)射極電流建立后，放大能力迅速提高。晶閘管雙晶體管模型PNP型晶體管的集電極連接NPN型晶體管的基極，PNP型晶體管集電極電流Ic1流入門極。上述過程循環(huán)作用，產生正反饋，使兩個晶體管飽和導通，因此晶閘管由阻斷迅速轉為導通狀態(tài)，此時撤掉門極驅動信號不能使晶閘管關斷，因此晶閘管是半控型器件。晶閘管——電路特性電力電子技術通態(tài)：外部施加正向電壓且門級施加控制電流時導通，通態(tài)電壓接近0V，僅允許通過正向電流。斷態(tài)：外部施加反向電壓且門級無控制電流時關斷，斷態(tài)電流接近0A，承受雙向電壓。通態(tài)斷態(tài)斷態(tài)晶閘管：半控型器件陰極（Cathode）陽極（Cathode）門極（Gate）晶閘管——主要參數電力電子技術斷態(tài)不重復峰值電壓UDSM晶閘管在門極開路時，施加于晶閘管的正向陽極持續(xù)時間不大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓。斷態(tài)重復峰值電壓UDRM晶閘管在門極開路及額定結溫下，允許每秒50次、每次持續(xù)時間不大于10ms且重復施加于晶閘管上的正向斷態(tài)最大脈沖電壓。規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓UDSM的80%。反向不重復峰值電壓UMM晶閘管門極開路所能承受的持續(xù)時間不大于10ms的反向最大脈沖電壓。反向重復峰值電壓URRM晶閘管門極開路及額定結溫下，允許每秒50次、每次持續(xù)時間不大于10ms且重復施加于晶閘管上的反向最大脈沖電壓。規(guī)定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓URSM的80%。額定電壓UT將斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中的較小值取整后作為晶閘管的額定電壓值。選擇晶閘管的額定電壓值要留有安全裕量。一般取電路正常工作時晶閘管電壓應力的1.5倍。平均電壓UON晶閘管陽極、陰極間電壓的平均值，也稱管壓降。晶閘管——主要參數電力電子技術通態(tài)平均電流IT在額定結溫時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。稱為該晶閘管的通態(tài)平均電流，即額定電流。在實際選用時，一般取1.5倍以上的安全裕量維持電流IH晶閘管被觸發(fā)導通以后，在室溫和門極開路條件下，使晶閘管維持通態(tài)所必需的最小陽極電流。擎住電流IL晶閘管一經觸發(fā)導通就去掉觸發(fā)信號，能使晶閘管保持導通所需要的最小陽極電流。一般晶閘管的擎住電流為其維持電流的幾倍。如果晶閘管從斷態(tài)轉換為通態(tài)，其陽極電流還未上升到擎住電流值就去掉觸發(fā)脈沖，將重新恢復阻斷狀態(tài)。斷態(tài)重復平均電流IDR和反向重復平均電流IRR額定結溫和門極開路時，對應于斷態(tài)重復峰值電壓和反向重復峰值電壓下的平均漏電流。浪涌電流ITSM在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內所允許的最大過載峰值電流。晶閘管——主要參數電力電子技術正弦半波平均值和有效值平均值：先積分，后平均有效值（方均根或rms值）：先平方，再積分，后平均，最后開根號（電阻產生熱量相等）正弦半波電流的有效值是平均電流的1.57倍。晶閘管——穩(wěn)態(tài)特性電力電子技術晶閘管的伏安特性主要是指其伏安特性正向伏安特性：隨著陽極電壓不斷增大達到臨界極限，即正向轉折電壓UBO，漏電流急劇增大，器件開通,發(fā)生了雪崩擊穿。加入外部門極觸發(fā)電流后，觸發(fā)正反饋所需的雪崩擊穿水平也隨之下降，相應的正向轉折電壓也降低。反向伏安特性：與功率二極管的反向特性相似；當反向電壓增加到反向轉折電壓UBR時，晶閘管反向擊穿。晶閘管——動態(tài)特性電力電子技術晶閘管開通和關斷過程中的電壓、電流波形開通過程：建立正反饋過程需要時間，加上外部線路中寄生電感的作用，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流不是瞬時建立的。延遲時間td：從門極脈沖前沿的10%到陽極電壓下降至穩(wěn)態(tài)的90%之間的時間。上升時間tr：正向陽極電壓從穩(wěn)態(tài)的90%下降至10%之間的時間。開通時間tON：由延遲時間td和上升時間tr組成。晶閘管——動態(tài)特性電力電子技術晶閘管開通和關斷過程中的電壓、電流波形關斷過程：陽極電流的減小會出現(xiàn)反向恢復過程，且在外電路電感的作用下，會在晶閘管兩端產生較大的反向電壓尖峰。反向阻斷恢復時間trr：P1-N1結和P2-N2結將恢復阻斷能力的時間。正向阻斷恢復時間tfr：N1-P2結恢復正向阻斷能力的時間。關斷時間tOFF：由反向阻斷恢復時間trr和正向阻斷恢復時間tfr組成。電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行場效應晶體管電力電子技術場效應晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）：導通時只有一種極性的載流子參與導電，因而也稱為單極型晶體管。結型場效應晶體管（JFET）：通過外加電場控制場效應晶體管柵-源之間PN結耗盡區(qū)的寬度來控制溝道電導。金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）：場效應晶體管柵-源之間是用硅氧化物介質將金屬電極和半導體隔離，利用外加電場控制半導體中感應電荷量的變化控制溝道電導。功率場效應晶體管電力電子技術功率場效應晶體管（PowerMOSFET）：電壓控制型全控型器件，開關速度快。根據導電載流子帶電極性的不同，分為N（電子型）溝道MOSFET和P（空穴型）溝道MOSFET。根據導電溝道形成機理不同，MOSFET又可分為增強型和耗盡型兩類。N溝道增強型功率場效應晶體管：實際中使用最為廣泛。功率場效應晶體管——基本結構電力電子技術N溝道垂直（Vertical）導電場效應晶體管（VMOSFET）：柵源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過。正電壓UGS會將P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到P區(qū)表面。VMOSFETCoolMOS功率場效應晶體管——基本結構電力電子技術當UGS大于某一電壓值UT

時，使P型半導體反型成N型半導體，漏極和源極導電。MOSFET的這一導通過程與BJT類似，區(qū)別在于P區(qū)少子是由柵極電勢感應得到，而不是通過注入電流得到，因此，MOSFET的開關速度更快。VMOSFETCoolMOS功率場效應晶體管——基本結構電力電子技術超結功率MOSFET（CoolMOS）：解決額定電壓和導通電阻的矛盾。多個P/N結構作為高壓漂移層，在相同的芯片面積上，其導通電阻降低了80%以上，并具有高開關速度。VMOSFETCoolMOS功率場效應晶體管——基本結構電力電子技術寄生二極管：源極到漏極之間的結構為P、N-、N+，這就形成一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管，又稱體二極管。寄生二極管反向恢復時間一般較長。MOSFET寄生元件示意圖功率場效應晶體管——電路特性電力電子技術通態(tài)：施加控制電壓時導通，通態(tài)電壓接近0V，允許通過雙向電流。斷態(tài)：外部施加正向電壓且控制電壓為低時關斷，斷態(tài)電流接近0A，僅承受正向電壓。通態(tài)斷態(tài)通態(tài)漏極（Drain）源極（Source）柵極（Gate）功率場效應晶體管——主要參數電力電子技術導通電阻RDS(on)導通電阻主要由漏極電阻RD決定。隨著溫度的升高而增加，具有正溫度特性。開啟電壓UT又稱為閾值電壓。它是指在一定的漏-源電壓UDS下，增加柵-源電壓使漏極電流由零達到某一指定電流(例如1mA)時的柵-源電壓值。柵-源擊穿電壓U(BR)GS柵-源擊穿電壓U(BR)GS是柵極和源極之間絕緣層的擊穿電壓。少量感應靜電荷就可能引起很高的電壓，應用時應當注意防靜電擊穿，一般通過在柵-源極間并聯(lián)電阻實現(xiàn)靜電泄放。最大允許漏極電流IDM最大允許漏極電流與場效應晶體管的結構有關。通常按電路中MOSFET電流應力的1.5倍選取該電流定額。最大允許功率損耗PDM在環(huán)境溫度Ta為25°C時，在規(guī)定的散熱條件下，最高結溫不超過MOSFET的最高允許結溫TjM時的允許功耗值。安全工作區(qū)SOA漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。雙極型功率晶體管——安全工作區(qū)電力電子技術左上方的邊界斜線為MOSFET導通電阻限制線，其限制了器件的工作電流。一族對應不同脈沖寬度的曲線MOSFET安全工作區(qū)示意圖最右邊的垂直邊界為最大漏-源擊穿電壓U(BR)DS。上方水平線為最大脈沖漏極電流IDM。右上方近似平行的一組斜線為等功耗線PDM對應不同脈沖寬度下的功率損耗限制。雙極型功率晶體管——穩(wěn)態(tài)特性電力電子技術輸出特性：在恒定柵-源電壓UGS下，漏極電流iD和漏-源電壓uDS之間的關系。包含了非飽和區(qū)、截止區(qū)和飽和區(qū)，不工作在飽和區(qū)。uGS雙極型功率晶體管——穩(wěn)態(tài)特性電力電子技術轉移特性：在恒定漏-源電壓下，漏極電流iD與柵-源電壓uGS的關系。可直接由輸出特性得到。uGS雙極型功率晶體管——動態(tài)特性電力電子技術動態(tài)特性：開通和關斷過程所展現(xiàn)出來的電壓、電流特性。MOSFET開通和關斷過程中的電壓、電流波形開通過程：柵極驅動電壓變?yōu)楦唠娖胶?，uGS存在一個上升過程。當uGS等于開啟電壓UT時，漏極電流iD從零開始增長。上升時間tr：漏極電流由通態(tài)最大值的10%上升到90%所需的時間。雙極型功率晶體管——動態(tài)特性電力電子技術動態(tài)特性：開通和關斷過程所展現(xiàn)出來的電壓、電流特性。MOSFET開通和關斷過程中的電壓、電流波形關斷過程：功率MOSFET的關斷過程非?？?，開關時間在10~100ns之間。當柵極驅動電壓變?yōu)榈碗娖胶?，uGS開始下降，漏極電流iD逐漸減小至零。下降時間tf：漏極電流由穩(wěn)態(tài)值的90%下降到10%所需的時間。電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行絕緣柵雙極型晶體管電力電子技術絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT）：結合了BJT和MOSFET的優(yōu)點。比MOSFET額定電壓和額定電流高，比BJT開關速度更快和驅動損耗更小。BJT：雙極型電流驅動器件，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。MOSFET：MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單，但導通壓降大。絕緣柵雙極型晶體管——基本結構電力電子技術IGBT：三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E，可由N溝道VMOSFET和BJT組合而成。IGBT：用BJT與MOSFET組成的達林頓結構，相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。IGBT結構圖和等效電路絕緣柵雙極型晶體管——基本結構電力電子技術IGBT：導電是兩種載流子，電阻率較小。IGBT的導通壓降由兩部分組成：PN結的正向壓降（負溫度系數）、MOSFET導通壓降（正溫度系數）。IGBT結構圖和等效電路絕緣柵雙極型晶體管——電路特性電力電子技術通態(tài)：外部施加正向電壓且門級施加控制電壓時導通，通態(tài)電壓接近0V，僅允許通過正向電流。斷態(tài)：外部施加正向電壓且門級控制電壓為低時關斷，斷態(tài)電流接近0A，僅承受正向電壓。通態(tài)斷態(tài)集電極（Collector）發(fā)射極（Emitter）柵極（Gate）絕緣柵雙極型晶體管——電路特性電力電子技術通態(tài)：門級施加控制電壓時導通，通態(tài)電壓接近0V，允許通過雙向電流。斷態(tài)：外部施加正向電壓且門級控制電壓為低時關斷，斷態(tài)電流接近0A，僅承受正向電壓。通態(tài)斷態(tài)通態(tài)集電極（Collector）發(fā)射極（Emitter）柵極（Gate）四象限開關——電路特性電力電子技術通態(tài)：門級施加高控制電壓時導通，通態(tài)電壓接近0V，允許通過雙向電流。斷態(tài)：門級控制電壓為低時關斷，斷態(tài)電流接近0A，能承受雙向電壓。通態(tài)斷態(tài)通態(tài)集電極（Collector）發(fā)射極（Emitter）柵極（Gate）斷態(tài)絕緣柵雙極型晶體管——主要參數電力電子技術飽和壓降UCE(sat)IGBT工作于飽和導通時，集電極與發(fā)射極兩端電壓差。最大開路電壓U(BR)CEO柵極處于開路狀態(tài)下，集電極-發(fā)射極兩端可以承受的最大電壓。集電極最大電流IC(max)當IGBT工作在飽和狀態(tài)時，集電極可以流過的最大電流。最大允許功率損耗PCM在室溫25℃的情況下，IGBT工作時允許產生的最大耗散功率。正向偏置安全工作區(qū)（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。反向偏置安全工作區(qū)（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt確定。絕緣柵雙極型晶體管——穩(wěn)態(tài)特性電力電子技術輸出特性：以柵射電壓為參考變量時，集電極電流iC與集-射電壓uCE之間的關系。包含了正向阻斷區(qū)、線性放大區(qū)和飽和區(qū)，不工作在線性放大區(qū)。反向工作狀態(tài)，集電極只有很小的漏電流流過，URM是最高反向阻斷電壓。輸出特性轉移特性絕緣柵雙極型晶體管——穩(wěn)態(tài)特性電力電子技術轉移特性：集電極電流iC與柵射電壓uGE之間的關系。開啟電壓UGE(th)是IGBT能導通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。IGBT的穩(wěn)態(tài)特性與MOSFET類似。輸出特性轉移特性絕緣柵雙極型晶體管——動態(tài)特性電力電子技術動態(tài)特性：IGBT的開通和關斷時的特性IGBT開通和關斷過程中的電壓、電流波形開通過程：當驅動電壓為高電平時，驅動電路對IGBT的輸入電容充電。開通延遲時間td(on)：柵-射電壓uGE的前沿上升到其幅值的10%時刻起，到集電極電流iC上升至其穩(wěn)態(tài)電流ICM的10%時刻為止。電流上升時間tri：iC由10%ICM上升到90%ICM所需時間絕緣柵雙極型晶體管——動態(tài)特性電力電子技術動態(tài)特性：IGBT的開通和關斷時的特性IGBT開通和關斷過程中的電壓、電流波形關斷過程：IGBT關斷時出現(xiàn)電流拖尾現(xiàn)象，使得下降時間加長，造成較大的關斷損耗。關斷延遲時間td(off)：從uGE下降到其穩(wěn)態(tài)值的90%時刻起，到uCE上升到其穩(wěn)態(tài)值的10％為止。電流下降時間tfi：iC由90%ICM下降到10％ICM所需時間功率半導體器件特性對比電力電子技術針對具體應用，考慮器件的工作頻率和功率功率半導體器件特性對比電力電子技術針對具體應用，考慮器件的電壓和電流等級器件電壓-電流運行區(qū)間示意圖大功率應用工況需使用大功率器件，但大功率器件無法實現(xiàn)高速開關。小功率器件開關速度快，可以對其設定較高的開關頻率。選擇開關器件對電力電子系統(tǒng)的設計至關重要。電力電子技術開關類型控制變量開關頻率通態(tài)壓降優(yōu)勢限制BJT電流中頻20kHz低①開關過程簡單②通態(tài)壓降低③電壓阻斷能力強①需要高的電流驅動②開關速度慢③二次擊穿④開關損耗高MOSFET電壓高頻高①更高的開關頻率②開關損耗低③驅動電路簡單④驅動功率?、萃☉B(tài)電阻正溫度系數方便并聯(lián)使用①通態(tài)壓降高（非超結結構）②電壓阻斷能力弱IGBT電壓高頻中①通態(tài)壓降低②驅動功率?、匐妷鹤钄嗄芰θ魾JT、MOSFET、IGBT開關器件特性對比：功率半導體器件特性對比電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行寬禁帶功率半導體器件電力電子技術寬禁帶功率半導體器件：以碳化硅（SiliconCarbide，SiC）、氮化鎵（GalliumNitride，GaN）為代表的寬禁帶材料，被譽為是繼硅和砷化鎵后第三代半導體。目前的功率半導體工藝已將器件的性能推升到了硅基材料的理論極限附近。Si器件的擊穿場強最大為0.2MV/cm。寬禁帶半導體的理論性能，遠高于Si。SiC的最大擊穿場強為2.4MV/cm，GaN則更高。GaNSystem（美國）的GaNHEMT產品CREE（美國）的SiC功率半導體產品碳化硅功率半導體器件電力電子技術碳化硅（SiC）：由硅原子和碳原子組成。優(yōu)點包括：高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿場強，低的介電常數和高的導熱率。SiC的禁帶寬度是硅的3倍，擊穿場強是硅的10倍，熱導率是硅的2.5倍。SiC和硅材料特性對比圖碳化硅肖特基勢壘二極管已得到廣泛應用。已在電動汽車驅動領域得到廣泛應用。氮化鎵功率半導體器件電力電子技術氮化鎵（GaN）：GaN材料的禁帶寬度更大，達3.4eV，但熱導率低。GaN晶體管以GaN異質結場效應管為主，又稱為GaNHEMT。常規(guī)的GaNHEMT由于材料極化特性，即使不加任何柵極電壓，器件也處于常通狀態(tài)，即為耗盡型器件。目前，增強型的GaNHEMT已有柵下注入氟離子、MOS溝道HEMT以及GaN基P型柵等實現(xiàn)方法。GaNHEMT器件的結電容很小，開關速度非?？?，可以在幾個納秒時間內完成開關過程，所以其開關損耗也非常小。工作頻率可以達到兆赫茲級別特別適合高頻、超高頻中小功率應用場合。目前GaN器件已在手機快充領域得到廣泛應用。電力電子技術目前SiC器件的工藝成熟度較高，市場份額較GaN也略大。SiC/GaN助力電力電子裝置的小型化寬禁帶功率半導體器件——應用電力電子技術寬禁帶半導體——挑戰(zhàn)更快地開關速度意味著更高的運行頻率，也就意味著對寄生參數更加敏感。由于可以更好地處理寄生參數帶來的問題，功率模塊將進入高速發(fā)展時期。電力電子技術目錄：1.電力電子器件分類2.功率二極管3.雙極性功率晶體管4.晶閘管5.功率場效應晶體管（MOSFET）6.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）7.寬禁帶功率半導體器件8.電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子技術串并聯(lián)的意義：串聯(lián)增加電壓，并聯(lián)增加電流，串聯(lián)或并聯(lián)都能增大功率。串并聯(lián)的層次：一是在器件層面，采用直接串/并聯(lián)連接方式；二是在設備層面，采用模塊化配置；三是在系統(tǒng)層面，采用多個裝備串并聯(lián)。串并聯(lián)的問題：串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子技術器件串聯(lián)：當串聯(lián)器件的反向伏安特性曲線失配時，串聯(lián)器件承受的反向電壓也不一致，易導致串聯(lián)運行失敗。反向電壓大的器件易先被擊穿失效，進而導致所有串聯(lián)器件被擊穿失效。二極管串聯(lián)電路及伏安特性曲線電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子技術串聯(lián)均壓方法：通過增設分流電路的方式實現(xiàn)串聯(lián)器件的均壓，最簡單的分流實現(xiàn)方式是并聯(lián)電阻。暫態(tài)串聯(lián)均壓方法：通過并聯(lián)RC支路的方式，防止開通、關斷暫態(tài)過程引起器件反向偏置電壓突變，并限制阻斷電壓的上升率。穩(wěn)態(tài)均壓方案示意圖暫態(tài)均壓方案示意圖電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子技術器件并聯(lián)：當并聯(lián)器件的正向伏安特性曲線失配時，導致器件無法均流。并聯(lián)器件分流不均時，器件損耗不一致，給散熱設計帶來挑戰(zhàn)。并聯(lián)器件長期運行在不同的結溫工況下，將影響器件的運行壽命。二極管并聯(lián)電路及伏安特性曲線電力電子器件串并聯(lián)運行電力電子技術并聯(lián)均流方法：通過改變器件的導通壓降可以提高器件的均流精度。相應的均流方案同樣可分為穩(wěn)態(tài)均流方案和暫態(tài)均流方案兩類。為抑制開通過程中的暫態(tài)過電流，可以加入串聯(lián)耦合電感。穩(wěn)態(tài)均流方案示意圖暫態(tài)均流方案示意圖×所有的導通電流都流經額外的阻抗，將大幅增加損耗。×串聯(lián)耦合電感會引入額外的電壓尖峰?！猎黾恿顺杀尽Ⅲw積和重量。第三章DC-DC變換電路主講教師：XXX電力電子技術學習目標：(1)明確DC-DC變換電路的基本分類方法(2)理解典型DC-DC變換器的工作原理(3)能推導出Buck、Boost和Buck-Boost等三種基本非隔離型DC-DC變換器的輸入和輸出電壓、電流關系(4)掌握典型DC-DC變換器的關鍵參數選型依據(5)熟悉典型隔離型DC-DC變換器與相應非隔離型DC-DC變換器的聯(lián)系電力電子技術問題思考：手機、筆記本電腦等電子產品依靠電池儲存的直流電能維持運行，其內部消耗電能的部件眾多，既有CPU、內存等計算、存儲單元，也有電子顯示屏幕、外放、攝像頭等人機交互部件。各部件運行所需直流電壓不一致，如何實現(xiàn)直流電壓變換？如果相比于電池電壓，負載電壓過低或者過高應該怎樣解決？如果考慮到設備尺寸要求，怎樣才能減小電能變換單元的體積和重量？本章PPT部分圖片源于網絡和其他文獻電力電子技術DC-DC變換器或直流-直流變換器目的將一種直流電變換為另一種不同電壓/電流幅值或極性的直流電轉換過程中損失的能量和功率盡可能少，即高效率輸入電壓：36?72V輸出電壓和電流：12V和6.25A功率：75W降壓型DC-DC變換器136電力電子技術DC-DC變換器分類降壓型DC-DC變換器：高輸入電壓->低輸出電壓升壓型DC-DC變換器：低輸入電壓->高輸出電壓升降壓型DC-DC變換器：高/低輸入電壓->高/低輸出電壓非隔離型降壓型DC-DC變換器：高輸入電壓->低輸出電壓升壓型DC-DC變換器：低輸入電壓->高輸出電壓升降壓型DC-DC變換器：高/低輸入電壓->高/低輸出電壓隔離型DC-DC變換器137電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術非隔離型DC-DC變換器（直流斬波器）降壓型DC-DC變換器：高輸入電壓->低輸出電壓例子：Buck（降壓型）變換器升壓型DC-DC變換器：低輸入電壓->高輸出電壓例子：Boost（升壓型）變換器升降壓型DC-DC變換器：高/低輸入電壓->高/低輸出電壓例子：Buck-Boost（升壓型）變換器?uk變換器、Sepic變換器和Zeta變換器非隔離型利用開關器件對輸入電壓/電流波形進行周期性地“斬切”濾波平均后實現(xiàn)直流變換140電力電子技術非電力電子降壓電路如何將一個直流電壓轉變?yōu)橐粋€較低的直流電壓？電阻分壓器輸出電壓vo始終低于輸入電壓vi輸出電壓與輸入電壓的比值（即電壓比）由電阻Ri和Ro阻值決定例子：輸入電壓vi=100V，電阻Ri=Ro=5?時，輸入和輸出電流ii=io=10A，輸出電壓vo=50V實現(xiàn)簡單，在信號采樣電路中得到廣泛應用141電力電子技術非電力電子降壓電路——電阻分壓器電阻分壓器×電阻是耗能元件，功率損耗大。在上述參數工況下，輸入電阻Ri和負載電阻Ro功耗相同，因此耗費了一半能量，效率低×利用電位器雖能調節(jié)輸出電壓，但調節(jié)速度慢，響應能力差×輸出電壓受負載電阻影響大，穩(wěn)定性差×實用的直流電源一般不采用電阻分壓器142電力電子技術非電力電子降壓電路——線性調壓器143線性調壓器輸出電壓vo始終低于輸入電壓viS1為工作在線性區(qū)的功率晶體管(BJT)，通過調節(jié)S1的飽和程度，控制管壓降(vi?vo)，進一步改變負載電壓vo，提高調壓能力如何將一個直流電壓轉變?yōu)橐粋€較低的直流電壓？×線性調壓器在降壓過程中（特別是輸入輸出電壓差較大時）有相當一部分能量消耗，因此轉換效率低電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術Buck變換器思想145工作在開關狀態(tài)的功率半導體器件周期性通斷+輸出濾波平均如何提高降壓變換的效率？電力電子技術Buck變換器思想——斬波146當單刀雙置開關Ssd連接正極時，結點電壓vs=vi當單刀雙置開關Ssd連接地時，結點電壓vs=0VSsd周期性交替地接正極和地(或斬波)，使vs為矩形波電力電子技術Buck變換器思想——平均147開關結點電壓vs經過濾波平均后得到輸出電壓vovs高電平時間越長，輸出電壓vo越大vs高電平時間越短，輸出電壓vo越小電力電子技術Buck變換器電路拓撲148單刀雙置開關Ssd實際中常采用一個全控型功率器件（如MOSFET）S1和一個功率二極管D1-實現(xiàn)LC低通濾波器，濾除vs中的高頻脈動分量電力電子技術Buck變換器等效電路149通態(tài)：S1導通，D1關斷斷態(tài)：S1關斷，D1導通電力電子技術Buck變換器工作波形150通態(tài)時間：Ton斷態(tài)時間：Toff電力電子技術Buck變換器電路分析151變換器電路分析分為動態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析兩個方面動態(tài)分析需要建立詳細的數學模型，這里不展開討論只分析電路穩(wěn)態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)后，各電壓電流僅在額定值附近以開關頻率重復波動。開關時間/周期：Tsw=Ton

+Toff電力電子技術Buck變換器電路分析——伏秒平衡152電感伏秒（磁鏈）平衡：系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，由于電感電壓不斷重復變化，一個開關周期內其積分必然為0。如何分析變換器穩(wěn)態(tài)電壓電流關系？電壓單位為伏，時間單位為秒，電感電壓在一個開關周期內對時間積分（即總磁通鏈）為0，簡稱為伏秒平衡電力電子技術Buck變換器電路分析——電感電壓153通態(tài)電感電壓：(vi

?

vo)斷態(tài)電感電壓：(?vo)電力電子技術Buck變換器電路分析——電壓關系154電感伏秒平衡：小紋波假設：輸出電容Co足夠大、輸出電壓足夠穩(wěn)定時，可忽略輸入電壓vi和輸出電壓vo中的紋波，將二者分別視為恒定量Vi和Vo占空比D（0≤D≤1）輸入電壓不變時，增大占空比D能線性增加輸出電壓電力電子技術Buck變換器電路分析——安秒平衡155電容安秒（電荷）平衡：系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，由于電容電流不斷重復變化，一個開關周期內其積分必然為0。如何分析變換器穩(wěn)態(tài)電壓電流關系？電流單位為安，時間單位為秒，電容電流在一個開關周期內對時間積分（即總電荷）為0，簡稱為安秒平衡電力電子技術Buck變換器電路分析——電容電流156通態(tài)電容電流：(il

?

io)斷態(tài)電容電流：

(il

?

io)電力電子技術Buck變換器電路分析——電流關系157電容安秒平衡：小紋波假設：忽略輸出電壓vo紋波和電感電流il紋波，將二者分別視為恒定量Vo和Il占空比D（0≤D≤1）Buck變換器理想工況下輸入輸出電壓和電流關系相反，功率守恒電力電子技術Buck變換器參數設計——系統(tǒng)參數158根據用戶需求確定Buck變換器額定輸入電壓Vi和輸出電壓Vo計算占空比：D=Vo/Vi根據負載計算額定輸出電流Io=Vo/Ro及輸入電流Ii=Dio計算輸入輸出功率Po=Pi=VoIo功率等級限制了開關頻率，一般來說，功率百瓦級Buck變換器開關頻率為數百kHz電力電子技術159Buck變換器參數設計——功率開關耐受電壓為(vi?vs)，通態(tài)0，斷態(tài)Vi通過電流為ii

，通態(tài)il，斷態(tài)0，平均值為

DIo，有效值為D1/2Io1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術160平均值和有效值平均值：先積分，后平均有效值（方均根或rms值）：先平方，再積分，后平均，最后開根號（電阻產生熱量相等）電力電子技術161Buck變換器參數設計——功率開關耐受電壓為vs，通態(tài)Vi，斷態(tài)0通過電流為id

，通態(tài)0

，斷態(tài)il，平均值為

D’Io（D’=1–D），有效值為D’1/2Io1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量電力電子技術162Buck變換器參數設計——濾波電感濾波電感與電流紋波密切相關通態(tài)下電感電流從最小值線性增長為最大值，斷態(tài)下電感電流從最大值線性減小為最小值電力電子技術163Buck變換器參數設計——濾波電感通態(tài)電感電壓：(Vi

?

Vo)斷態(tài)電感電壓：

(?Vo)電感電流紋波：電感電流紋波：電力電子技術164Buck變換器參數設計——濾波電感根據約20%電流紋波要求設計電感：電力電子技術165Buck變換器參數設計——濾波電容濾波電容與電壓紋波密切相關由于電感電流il的紋波通常遠大于電容電壓vo的紋波，計算電容電壓紋波時，通常忽略電容電壓紋波對自身的作用影響，也就是將電壓紋波作線性化處理電力電子技術166Buck變換器參數設計——濾波電容電感電流il>負載電流Io時，電容充電，充電持續(xù)時間為開關周期的一半Tsw/2，充電的電量為以Δil為幅值的三角形面積，電壓紋波：電力電子技術167Buck變換器參數設計——濾波電容當電流紋波和電壓紋波要求確定后，可根據下式設計輸出電容，留足裕量以保證擾動下和等效串聯(lián)電阻(ESR)壓降滿足設計要求：電力電子技術168Buck變換器參數設計——例子已知Buck變換器輸入電壓Vi=48V，輸出電壓Vo

=24V，負載電阻Ro

=4?

，開關頻率100kHz（開關周期Tsw

=10μs）。

計算：(1)占空比D，負載電流Io和功率Po

(2)電流紋波為25%時的最小濾波電感Lo_min

(2)電壓紋波為1%時的最小濾波電容Co_min(1)占空比：D=Vo/Vi=0.5，負載電流：

Io=Vo/Ro=6A，功率：

Po=VoIo=144W(2)最小濾波電感Lo_min：

Lo_min=2D’RoTsw=40μH(3)最小濾波電容Co_min：

Co_min=ΔilTsw/(0.08Vo)=7.81μF電力電子技術目錄：1.非隔離型DC-DC變換器(1)Buck變換器(2)Boost變換器(3)Buck-Boost變換器(4)其他非隔離型DC-DC變換器(5)DC-DC變換器共性技術2.隔離型DC-DC變換器(1)正激變換器(2)反激變換器(3)半橋變換器(4)全橋變換器(5)推挽變換器電力電子技術Boost變換器基本思想如何將一個直流電壓轉變?yōu)橐粋€較高的直流電壓？將Buck變換器的輸入輸出倒置,以同樣原理工作170電力電子技術Boost變換器基本思想注意主開關的位置！Buck變換器通常以連接正極的開關，Boost變換器通常以連接地的開關為主開關171電力電子技術Boost變換器電路拓撲