12.第十二章-汽车电力电子变换.pptx

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,单击此处编辑母版标题样式,二零一四年,元月,第十二章 汽车电力电子变换,主讲：,赵振宁,新能源汽车电工电子与电力电子基础,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，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 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（.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、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 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,60,61,62,63,64,65,谢谢,