驅動電機及控制系統檢修學習情境三

功率變換電路功率變換電路電力電子器件AC-DC變換電路DC-AC變換電路DC-DC變換電路學習任務1

電力電子器件知識準備：功率變換技術是新能源汽車的調速和轉向等動力控制系統的關鍵技術，其基本作用就是通過合理、有效地控制電源系統電壓、電流的輸出和驅動電機電壓、電流的輸入，完成對驅動電機的轉矩、轉速和旋轉方向的控制。此外，新能源汽車的充電及低壓設備的供電也是通過相應的功率變換技術完成。電力電子器件正向著大容量、高可靠性、裝置體積小、節約電能和智能化方向發展。除了早期使用的功率二極管、晶閘管外，目前常用的器件主要有門極可關斷晶閘管（GTO）、大功率晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵極晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）等。從新能源汽車的應用上看，MOSFET、IGBT具有較好的應用前景。問題1：什么是功率二極管？學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？1）功率二極管的主要類型：功率二極管的類型主要有三種:(1)普通二極管。普通二極管又稱為整流二極管，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5μs以上，這在開關頻率不高時并不重要。學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？1）功率二極管的主要類型：功率二極管的類型主要有三種:(2)快速恢復二極管?？焖倩謴投O管可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。其中前者反向恢復時間為數百納秒或更長；后者則在100ns以下，甚至達到如20～30ns。學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？1）功率二極管的主要類型：功率二極管的類型主要有三種:(3)肖特基二極管。以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SBD，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優點是：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?。ㄍǔＴ?.5Ⅴ左右），明顯低于快速恢復二極管（通常在1V左右或更大），其開關損耗和正向導通損耗都比快速恢復二極管要小。肖特基二極管的弱點是，當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。同時，由于反向漏電流較大且對溫度敏感，反向穩態損耗不可忽略，而且必須嚴格限制其工作溫度。學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結型功率二極管基本結構、工作原理和基本特性：(1)

PN結型功率二極管PN結型功率二極管的基本結構是半導體PN結，具有單向導電性，正向偏置時表現為低限態,形成正向電流，稱為正向導通；而反向偏置時表現為高阻態，幾乎沒有電流流過，稱為反向截止。根據容量和型號，功率二極管有各種不同的封裝。功率二極管有兩個電極，分別是分別是陽極A和陰極K。學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結型功率二極管基本結構、工作原理和基本特性：(1)

PN結型功率二極管伏安特性與關斷過程學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結型功率二極管基本結構、工作原理和基本特性：（2）肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管，簡稱肖特基二極管（SehottkyBarrier

Diode，SBD）,是利用金屬與N型半導體表面接觸形成勢壘的非線性特性制成的二極管。由于N型半導體中存在著大量的電子，而金屬中僅有極少量的自由電子，當金屬與N型半導體接觸后，電子便從濃度高的N型半導體中向濃度低的金屬中擴散，隨著電子不斷從半導體擴散到金屬，半導體表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢壘，其電場方向為半導體→金屬。在該電場作用之下，金屬中的電子也會產生從金屬→半導體的漂移運動，從而削弱了由于擴散運動而形成的電場。當建立起一定寬度的空間電荷區后，電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴散運動達到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？2）PN結型功率二極管基本結構、工作原理和基本特性：（2）肖特基勢壘二極管盡管肖特基二極管具有和結型二極管相仿的單向導電性，但其內部物理過程卻大不相同。由于金屬中無空穴，因此不存在從金屬流向半導體材料的空穴流，即SBD的正向電流僅由多子形成，從而沒有結型二極管的少子存儲現象，反向恢復時沒有抽取反向恢復電荷的過程，因此反向恢復時間很短,

僅為10～40ns。肖特基二極管導通壓降比普通二極管和快恢復二極管低，這有助于降低二極管的導通損耗，提高電路的效率。但其反向耐壓在200V以下，因此適用于低電壓輸出的場合。學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？3）功率二極管的主要參數：（1）額定電壓URR

反向不重復峰值電壓URSM是指即將出現反向擊穿的臨界電壓，反向不重復峰值電壓URSM的80％稱為反向重復峰值電壓URRM。URRM也被定義為二極管的額定電壓URR。（2）額定電流IFR功率二極管的額定電流IFR被定義為在環境溫度+40℃和規定的散熱條件下，其管芯PN結的溫升不超過允許值時，所允許流過的正弦半波電流平均值。學習任務1

電力電子器件問題1：什么是功率二極管？3）功率二極管的主要參數：（3）正向壓降正向壓降是指在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時所對應的正向壓降。（4）最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，最高工作結溫是指在PN結不損壞的前提下所能承受的最高平均溫度，通常在125℃~175℃之間。（5）浪涌電流I??S??浪涌電流是指功率二極管所能承受的最大的連續的一個或幾個周期的過電流。問題2：什么是功率場效應晶體管？學習任務1

電力電子器件問題2：什么是功率場效應晶體管？1）功率場效應晶體管結構與工作原理：MOSFET種類和結構繁多，按導電溝道可分為P溝道和N溝道。當柵極電壓為零時漏源極間存在導電溝道的稱為耗盡型；對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為增強型。在功率MOSFET中，應用較多的是N溝道增強型。功率MOSFET導電機理與小功率MOS管相同，但在結構上有較多區別。小功率MOS管是一次擴散形成的器件，其導電溝道平行于芯片表面，是橫向導電器件。而功率MOSFET大都采用垂直導電結構，這種結構能大大提高器件的耐壓和通流能力。學習任務1

電力電子器件問題2：什么是功率場效應晶體管？2）功率MOSFET導電機理：? a)UGS=0 b)

UGS＜UT

c)UGS＞UT學習任務1

電力電子器件問題2：什么是功率場效應晶體管？3）功率MOSFET的轉移特性及輸出特性：? （1）截止區，UGS＜UT，ID

=

0。? （2）飽和區，或稱為有源區，UGS＞UT，在該區中當UGS不變時，ID

幾乎不隨U

DS的增加而加大，近似與一個常數，故稱為飽和區。當用于開關工作時，MOSFET在此區內運行。? （3）非飽和區，或稱為可調電阻區，這時漏源電壓UDS與漏極電流ID之比近似為常數，而幾乎與UGS

無關。當MOSFET作為線性放大時，應工作在此區。學習任務1

電力電子器件問題2：什么是功率場效應晶體管？3）功率MOSFET的開關特性：問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？學習任務1

電力電子器件問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？電力晶體管（GTR）屬于雙極型電流驅動器件，其優點是通流能力很強，但不足之處是開關速度相對低，驅動功率大，驅動電路復雜，而MOSFET是單極型電壓驅動器件，其優點是開關速度快，輸入阻抗高，所需驅動功率小，而且驅動電路簡單；缺點是導通壓降大。于是有人提出將這兩類器件的優點，即GTR的低導通壓降與MOSFET的高輸入阻抗結合起來．制成復合型器件，通常稱為Bi-MOS器件，即絕緣柵雙極型晶體管（Insulate-Gate

Bipolar

Transistor，IGBT）。它綜合了GTR和MOSFET的優點，因而具有低導通壓降和高輸入阻抗的綜合優點。它自投入市場以來，應用領域現已成為中、大功率電力電子設備的主導器件。當前IGBT即應用水平已達到：2500～6500V，600～2500A。學習任務1

電力電子器件問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？1）IGBT的結構和工作原理：IGBT比MOSFET多一層P+注入區，因而形成了一個大面積的P+、N+結J1。這樣使得IGBT導通時由P+注入區向基區發射少量載流子，從而對漂移區電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力學習任務1

電力電子器件問題3：什么是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）？2）IGBT基本特性：IGBT的輸出特性也分為3個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。這分別與GTR的截止區、放大區和飽和區相對應。此外，當UCE＜0時，IGBT為反向阻斷工作狀態，在電力電子電路中，IGBT工作在開關狀態，因而是在正向阻斷區和飽和區之間來回轉換。學習任務