新能源汽車功率電子基礎(chǔ) 第2版 課件 第1、2章 緒論、電路波形與功率半導(dǎo)體器件

第1章緒論目錄1.1汽車技術(shù)發(fā)展歷程1.2純電動汽車1.3混合動力電動汽車1.4插電式混合動力電動汽車1.5燃料電池汽車1.6功率電子學(xué)與電動汽車關(guān)系配套教材：程夕明等，新能源汽車功率電子基礎(chǔ)，機(jī)械工業(yè)出版社，2018.3/2023.10。1.1汽車技術(shù)發(fā)展歷程—概述1.1汽車技術(shù)發(fā)展歷程—階段性事件1.1汽車技術(shù)發(fā)展歷程—汽車電子標(biāo)志性事件1957年，Chysler&Bendix開發(fā)模擬電子燃料噴射系統(tǒng)；1968年，Bosch為VW汽車開發(fā)電子燃料噴射系統(tǒng)ECU，汽車電子專業(yè)術(shù)語ECU（electroniccontrolunit）從此誕生1969年，F(xiàn)ord汽車開發(fā)了計算機(jī)控制的防滑系統(tǒng)；1971年，Chysler&Bendix為Imperia標(biāo)配計算機(jī)控制的ABS1971年，GM和Motorola開發(fā)了計算機(jī)控制的變速器1981年，Motorola專門為GM開發(fā)微控制器MCU68021987年，Benz/BMW/Toyota引入車載電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)1988年，Chysler標(biāo)配駕駛員側(cè)安全氣囊1991年，GM路試純電動汽車EV11997年，Toyota投放混合動力汽車Prius1999年，Benz2000-s配置雷達(dá)巡航控制2000年，BMW7系配置車載導(dǎo)航2002年，Nissan為InfinitiQ45配置后視攝像頭2023年，BYD仰望汽車集成易四方系統(tǒng)、云輦智能車身控制系統(tǒng)1.1汽車技術(shù)發(fā)展歷程—智能汽車發(fā)展1925年，F(xiàn)rancisHoudina在美國紐約Manhattan大街驗證了一輛無線遙控汽車1986年，美國CarnegieMellonUniversity世界首輛自動駕駛汽車Nalab12002年，美國DARPA設(shè)立100萬美元無人駕駛汽車大獎賽2003年，日本豐田Prius配置了自動泊車輔助系統(tǒng)2009年，美國Google啟動了Waymo無人駕駛汽車項目2013年，中國百度啟動無人汽車項目2014年，法國

Navya世界首輛商用無人駕駛巴士2016年，美國Tesla推出Level3智能電動汽車上市2018年，美國Nvidia推出了一個AI無人駕駛汽車芯片

Xavier2018年，百度推出無人車Apollo2023年，華為發(fā)布無高精地圖智駕系統(tǒng)ADS2.0、智能汽車解決方案2030

1.1汽車技術(shù)發(fā)展歷程—電子技術(shù)發(fā)展趨勢輔助

智能網(wǎng)聯(lián)移動服務(wù)ESCLevel1Level2Level3Level4Level5V2X避撞行人避撞、車道保持1.2純電動汽車—我國新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略戰(zhàn)略

（1）2010年10月，新能源汽車成為中國的七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一。

（2）2012年7月，國務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》。

（3）2014年5月，習(xí)近平總書記指出，發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路。

（4）2020年9月，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”。

（54）2020年11月，國務(wù)院發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》。政策

（1）2009年1月，財政部、科技部聯(lián)合出臺《關(guān)于開展節(jié)能與新能源汽車示范推廣試點(diǎn)工作的通知》。

（2）2013年9月，四部委聯(lián)合出臺《關(guān)于繼續(xù)開展新能源汽車推廣應(yīng)用工作的通知》。

（3）2016年12月，四部委出臺《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》。

（4）2020年4月，四部委出臺《關(guān)于完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》。

（5）2021年12月，四部委出臺《關(guān)于2022年新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》。成果

（1）2015年市場規(guī)模第一；2020年產(chǎn)業(yè)領(lǐng)跑、技術(shù)領(lǐng)先；2022年出口第一,67.9萬輛。

（2）2022年，銷量688.7萬輛,占世界超60%,滲透率26%,自主品牌占49.9%。1.2純電動汽車—動力結(jié)構(gòu)圖1.1純電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信號連接1.2純電動汽車—案例聆風(fēng)：2010年10月，第一輛規(guī)?；冸妱悠嚿鲜?，日產(chǎn)汽車公司。ModelS：2012年，第一輛豪華純電動汽車上市，0-96km/h@5s；2014年，全時四驅(qū)車型上市，0-96km/h@3.2s，配套ADAS；2016年，Level3智能電動汽車上市；2016年，500km車型上市；

特斯拉汽車公司。I3：2013年，第一輛小型碳纖維電動汽車上市，最高時速150km，寶馬汽車公司。漢EV：2023年，C級車，刀片電池，續(xù)駛里程可達(dá)715km。BYD：2022年全球銷量最多的電動汽車公司，186萬輛。市場：2022年全球超過1000萬輛，中國市場銷量536.5萬輛，乘用車超500萬輛。

1.2純電動汽車—節(jié)能與減排機(jī)理1.節(jié)能

（1）相對于燃油汽車，純電動汽車的等效經(jīng)濟(jì)性可提高200%。

（2）電動機(jī)及其控制系統(tǒng)的效率是發(fā)動機(jī)2~4倍。減排

（1）光伏、風(fēng)能、水力發(fā)電，純電動汽車幾乎零排放。

（2）可控核能發(fā)電，城市純電動汽車幾乎零排放。

（3）燃煤發(fā)電，大城市純電動汽車幾乎零排放。

（4）電動汽車減排問題，應(yīng)計算全生命周期的整車、零部件、運(yùn)輸、使用等各環(huán)節(jié)的碳排放問題。1.2純電動汽車—特質(zhì)結(jié)構(gòu)簡潔、線控驅(qū)動

電池、電動機(jī)及其控制器、差速器。2.性能好—綠色行駛、加速快、低噪聲、振動小

電動機(jī)及其控制器，高效率（95%）、高比功率（5kW/kg）、高比轉(zhuǎn)矩（10N?m/kg）、高轉(zhuǎn)速（12000r/min）。質(zhì)量大

電池系統(tǒng)，低比能量（250Wh/kg），長充電時間（8h），低耐久性（~10年/16萬km），低安全性（熱失控），高成本（1.0元/Wh），低充電費(fèi)。系統(tǒng)集成成本低

零部件少：取消變速器，電動汽車的零部件比燃油汽車少80%。底盤簡潔：取消傳動軸，排氣系統(tǒng)。1.2純電動汽車—新技術(shù)1.動力

（1）組合式電驅(qū)動：前后橋電機(jī)、多驅(qū)動橋電機(jī)。

（2）分布式電驅(qū)動：輪邊電機(jī)、輪轂電機(jī)。

（3）智能電池管理系統(tǒng)。2.滑板式智能底盤

（1）機(jī)械與電氣協(xié)調(diào)制動。

（2）分布式制動與穩(wěn)定控制。

（3）智能傳感器與執(zhí)行器。3.電子電氣架構(gòu)

分布式計算中心、域控制器、兩線制以太網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)（路由器）、環(huán)境感知系統(tǒng)、云計算、信息安全、電磁兼容性。4.車身底盤一體化壓鑄技術(shù)1.2純電動汽車—底盤布置案例1特斯拉純電動汽車后橋驅(qū)動底盤布置圖1.2純電動汽車—底盤布置案例2特斯拉純電動汽車前后橋驅(qū)動底盤布置圖1.2純電動汽車—底盤布置案例2比亞迪汽車前后橋驅(qū)動底盤布置圖CTC刀片電池八合一IMCPMC1.2純電動汽車—底盤布置案例3滑板式線控智能電動底盤1.2純電動汽車—智能化環(huán)境感知系統(tǒng)巡航控制避撞控制車道識別交會預(yù)警全景視覺盲點(diǎn)檢測駐車輔助后撞警示V2X1.3混合動力電動汽車—概述1.節(jié)能減排

（1）節(jié)能50%，依賴混合度（輕混、中混、重混）。

（2）減排90%，CO2。

2.動力系統(tǒng)復(fù)雜

（1）保留了發(fā)動機(jī)及其傳動系統(tǒng)。

（2）增加了電驅(qū)動系統(tǒng)。

（3）增加了機(jī)電復(fù)合裝置。

（4）增加了系統(tǒng)控制難度。

（5）增加了底盤布置難度。結(jié)構(gòu)類型多

串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)。1.3混合動力電動汽車—串聯(lián)型圖1.2沃林混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串聯(lián)節(jié)能途徑：

1.純電驅(qū)動； 2.機(jī)電聯(lián)合制動； 3.發(fā)動機(jī)高效工作； 4.發(fā)電儲能。工作特點(diǎn) 1.全時純電驅(qū)動； 2.系統(tǒng)效率低； 3.低排放。1.3混合動力電動汽車—并聯(lián)型圖1.3本田英賽特混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并聯(lián)節(jié)能途徑：

1.純電驅(qū)動； 2.機(jī)電聯(lián)合制動。 3.發(fā)動機(jī)高效工作； 4.即時起動； 5.混合驅(qū)動； 6.取消怠速； 7.發(fā)電儲能。工作特點(diǎn)

間隙混合驅(qū)動。1.3混合動力電動汽車—混聯(lián)型圖1.4豐田普銳斯的THSⅡ混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混聯(lián)節(jié)能途徑：

1.純電驅(qū)動； 2.機(jī)電聯(lián)合制動； 3.發(fā)動機(jī)高效工作； 4.即時起動； 5.混合驅(qū)動； 6.取消怠速； 7.發(fā)電儲能。工作特點(diǎn)

全時混合驅(qū)動。1.4插電式混合動力電動汽車—概述1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

車載動力蓄電池組具有電網(wǎng)充電功能的混合動力電動汽車。

典型車型

（1）增程式

理想L7；問界M5；深藍(lán)SL03增程版

（2）串并聯(lián)型

比亞迪秦DMI、宋DMI、漢DMI、唐DMP、方程豹DMO 1.4插電式混合動力電動汽車—動力架構(gòu)圖1.5（插電式）混合電動汽車動力系統(tǒng)架構(gòu)圖1.4插電式混合動力電動汽車—動力架構(gòu)案例圖1.6比亞迪超級混動技術(shù)DM-i結(jié)構(gòu)示意圖1.4插電式混合動力電動汽車—案例比亞迪汽車方程豹超級混動平臺示意圖CTC刀片電池PMCHDS前后電子差速鎖和能量中鎖1.5燃料電池汽車—概述圖1.7燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串聯(lián)節(jié)能途徑：

1.純電驅(qū)動； 2.機(jī)電聯(lián)合制動； 3.FCS高效工作； 4.發(fā)電儲能。工作特點(diǎn) 1.全時純電驅(qū)動； 2.系統(tǒng)效率高； 3.加氫快； 4.無里程焦慮； 5.零排放。發(fā)動機(jī)效率提高PMSM電動和發(fā)電運(yùn)行發(fā)動機(jī)停止PMSM電動功能電制動能量回收PMSM發(fā)電功能1.6功率電子學(xué)與電動汽車技術(shù)的關(guān)系-案例效率提升/工況美國城市工況歐洲ECE城市工況日本10-15工況發(fā)動機(jī)效率提高59%56%53%發(fā)動機(jī)停止13%20%27%電制動能量回收28%24%20%表1.2三種工況下普銳斯混合動力電動汽車燃油經(jīng)濟(jì)性提高的貢獻(xiàn)比例1.6功率電子學(xué)與電動汽車技術(shù)的關(guān)系-圖解圖1.8新能源汽車技術(shù)與功率電子學(xué)的密切關(guān)系汽車能源轉(zhuǎn)型汽車動力創(chuàng)新1.6功率電子學(xué)與電動汽車技術(shù)的關(guān)系-架構(gòu)純電動汽車高壓電氣系統(tǒng)架構(gòu)示意圖OBCPDU1.6功率電子學(xué)與電動汽車技術(shù)的關(guān)系-案例1比亞迪汽車e平臺演進(jìn)技術(shù)路線安全、高效、智能、美學(xué)八合一1.6功率電子學(xué)與電動汽車技術(shù)的關(guān)系-案例2150kW,310N·m270kW,

360N·m比亞迪汽車八合一總成1.6功率電子學(xué)與電動汽車技術(shù)的關(guān)系-案例3比亞迪汽車仰望易四方技術(shù)150kW,310N·m270kW,

360N·m鎖止差速輪邊獨(dú)立電驅(qū)動系統(tǒng)四輪轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制底盤智能穩(wěn)定控制本章知識點(diǎn)純電動汽車的主要技術(shù)特點(diǎn)。三相交流電動機(jī)驅(qū)動.當(dāng)前主流車載儲能裝置是電化學(xué)電源—鋰離子蓄電池.車輛行駛的零排放,振動小,低噪聲,加速快,維護(hù)少,充電慢.插電式混合動力電動汽車的定義與結(jié)構(gòu)形式。插電式混合動力電動汽車是具有連接電網(wǎng)充電功能和較長距離純電行駛里程的混合動力電動汽車.按能量流分類，插電式混合動力汽車有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種結(jié)構(gòu)形式.新能源汽車的典型車載功率電子技術(shù)。逆變技術(shù),直流轉(zhuǎn)換技術(shù)和整流技術(shù)是新能源汽車功率電子技術(shù)的三個主要方面內(nèi)容.它們分別應(yīng)用于車輛的電驅(qū)動裝置,DC/DC變換器和車載充電機(jī).車用功率電子技術(shù)開啟了汽車顛覆式創(chuàng)新技術(shù)的新一輪發(fā)展.本章作業(yè)仿真分析

學(xué)習(xí)使用PSIM軟件及應(yīng)用案例書面作業(yè)

1.1、1.2、1.3、1.4、1.5歡迎同學(xué)們提問與討論！第2章電路波形

與功率半導(dǎo)體器件目錄2.1電路的波形及其參數(shù)

表征參數(shù)、解析方法、諧波2.2功率半導(dǎo)體器件

類型、工作原理、應(yīng)用特征、穩(wěn)態(tài)模型、仿真2.3直流開關(guān)

型式、電路原理、典型應(yīng)用2.1電路的波形及其參數(shù)—波形參數(shù)周期頻率幅值：指物理量在一個周期內(nèi)出現(xiàn)的最大絕對值，也叫峰值。峰峰值：指物理量在一個周期內(nèi)出現(xiàn)的最大值和最小值之差的絕對值。平均值有效值2.1電路的波形及其參數(shù)—波形參數(shù)自學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)波形參數(shù)的計算方法

直流，正弦波，三角波，矩形波。學(xué)習(xí)案例

例2-1至例2-7。作業(yè)

習(xí)題二，2.1。

2.1電路的波形及其參數(shù)—諧波定義

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：傅里葉級數(shù)（同濟(jì)大學(xué)V7.高等數(shù)學(xué)下.307-321）基波指頻率為ω的傅里葉級數(shù)分量。

諧波指頻率為ω的整數(shù)倍（>1）的傅里葉級數(shù)分量?？偦兟蔜HD2.1電路的波形及其參數(shù)—諧波案例（1）例2-8頻率為50Hz、幅值為10A的方波電流的波形如圖2.12(a)上圖所示，求：（1）方波電流的基波和諧波的數(shù)學(xué)表達(dá)式。（2）方波電流的總畸變率。解題思路：（1）掌握諧波的定義；（2）應(yīng)用傅里葉級數(shù)表達(dá)方波電流；（3）熟記有效值計算公式；（4）總畸變率THD計算公式；（5）采用Matlab繪制波形。2.1電路的波形及其參數(shù)—諧波案例（2）圖2.12方波電流及其基波、低次諧波2.2功率半導(dǎo)體器件—器件分類與發(fā)展（1）功率電子技術(shù)的發(fā)展史是以功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展史為綱的。水銀汞弧整流器電子真空管初始期半控期全控期水銀汞弧可控整流器晶體管晶閘管PowerMOSFETGTOIGBTIGCTSiC/GaN2.2功率半導(dǎo)體器件—器件分類與發(fā)展（2）器件名稱功率二極管晶閘管SCR功率MOSFETIGBT控制功能不可控型半控型全控型全控型門極驅(qū)動—電流型電壓型混合型覆蓋功率~10kW10kW~覆蓋電壓~100V650V~覆蓋頻率~1k~1MHz~20kHz典型應(yīng)用整流斬波汽車低壓電氣車輛電驅(qū)動發(fā)展方向高頻化、耐高溫、低功耗、易驅(qū)動；硅基→寬禁帶材料SiC、GaN。2.2功率半導(dǎo)體器件—器件分類與發(fā)展（3）*重慶大學(xué)：曾正，SiC功率器件的性能表征、封裝測試與系統(tǒng)集成，中國電源學(xué)會第23屆學(xué)術(shù)年會，深圳，2019年11月1日。2.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管概述（a）

（b）圖2.13二極管：（a）電氣符號，（b）伏安特性曲線閾值電壓UTO

正向電流快速上升的臨界電壓，接近器件的通態(tài)壓降，器件完全導(dǎo)通。擊穿電壓UBD

器件反向截止后，施加在器件兩端使反向電流快速上升的臨界電壓。導(dǎo)通原理

PN結(jié)正向?qū)?、反向截止?.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管反向恢復(fù)特性圖2.14功率二極管的反向恢復(fù)特性曲線根源器件正向?qū)〞r，少數(shù)載流子出現(xiàn)電荷存儲效應(yīng)。器件復(fù)合載流子，并反向抽取電荷，空間電荷區(qū)擴(kuò)大至載流子動態(tài)平衡。

模型器件反向恢復(fù)過程可以描述為電荷、結(jié)電容的非線性變化。

表征反向恢復(fù)電荷Qrr；反向恢復(fù)時間trr；反向恢復(fù)峰值電流IRM。

（a）

（b）

（c）圖2.16功率二極管的近似伏安特性曲線:(a)理想,(b)準(zhǔn)理想,(c)線性數(shù)據(jù)手冊典型參數(shù)1）正向電流IF(AV)：在管殼溫度Tc一定的條件下，通過器件的正弦半波電流的平均值。2）反向峰值電壓UR：在器件兩端所能施加的反向最大直流電壓。3）結(jié)溫Tj：指功率二極管的晶元的工作溫度范圍，比如﹣40～175℃。4）閾值電壓UTO：在Tj一定的條件下，器件正向?qū)ǖ拈T檻電壓值。5）通態(tài)壓降UF：在結(jié)溫和正向通態(tài)電流一定的條件下，器件的正向壓降。6）反向飽和電流IR：當(dāng)Tj和UR一定時，流經(jīng)器件的反向電流。2.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管模型與典型參數(shù)例2-9二極管VD與電阻R串聯(lián)的電路如圖2.21所示，二極管的型號為IN4001。（1）當(dāng)電源us為直流12V時，估算電阻R的阻值。（2）采用(1)的電阻，當(dāng)電源us為幅值12V和頻率50Hz的正弦波時，估算二極管VD的電流平均值、電流有效值和最大功耗。（3）繪制（2）中的二極管VD的電壓波形。圖2.17例2-9的電路解題思路：（1）查閱二極管IN4001的技術(shù)規(guī)格；（2）獲取IN4001的定額工作參數(shù)；（3）由額定電流估算電阻R；（4）運(yùn)用波形參數(shù)計算公式；（5）采用Matlab繪制波形。2.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管應(yīng)用案例（1.1）2.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管應(yīng)用例題（1.2）解：（1）查閱二極管IN4001的技術(shù)規(guī)格，估算電阻R值。圖2.17例2-9的電路解續(xù)：（2）運(yùn)用波形參數(shù)計算公式，估算二極管電流、電壓。

由于正弦波的交變特性，運(yùn)用二極管VD的單向?qū)щ娞匦?，寫出其電流計算公式。圖2.17例2-9的電路2.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管應(yīng)用例題（1.3）解續(xù)：（2）運(yùn)用波形參數(shù)計算公式，估算二極管功率。

由于正弦波的交變特性，運(yùn)用二極管VD的單向?qū)щ娞匦?，由電流計算公式，寫出二極管的功率表達(dá)式。因此，二極管的最大功耗1W。圖2.17例2-9的電路2.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管應(yīng)用例題（1.4）圖2.18例2-9的二極管電壓波形:(a)理想模型,(b)準(zhǔn)理想模型解續(xù)：（3）采用Matlab繪制端電壓波形

2.2功率半導(dǎo)體器件—功率二極管應(yīng)用例題（1.5）2.2功率半導(dǎo)體器件—晶閘管概述（a）

（b）

（c）圖2.19晶閘管:(a)電氣符號,(b)伏安特性,(c)理想模型SCR工作原理1）若門極無電流脈沖觸發(fā)信號，器件類似功率二極管行為。2）若門極有觸發(fā)信號，器件正向?qū)ㄋ璧恼蜣D(zhuǎn)折電壓UFBD減小。3）正向?qū)ǎ菏┘诱蚨穗妷汉烷T極觸發(fā)脈沖。4）導(dǎo)通擎?。浩骷?qū)ê螅T極觸發(fā)信號不能使器件截止。5）反向截止：正向?qū)ê?，無門極觸發(fā)脈沖，減小器件電流至0。正向轉(zhuǎn)折電壓反向擊穿電壓2.2功率半導(dǎo)體器件—晶閘管應(yīng)用案例（1.1）【例

2﹣10】正弦交流電壓源供電下，三只晶閘管分別與阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載串聯(lián)的電路如圖2﹣20所示。其中，us=311sin314t（V），ug1、ug2、ug3分別為晶閘管Q1、Q2和Q3的歸一化理想觸發(fā)脈沖信號，R1=R2=R3=3.11（Ω），L=20（mH），C=1350（μF）。

假設(shè)三只晶閘管的通態(tài)壓降為0V，它們的控制角α為30°，試概略繪制各負(fù)載的電壓和電流波形。圖2.20晶閘管負(fù)載電路2.2功率半導(dǎo)體器件—晶閘管應(yīng)用案例（1.2）圖2.20晶閘管負(fù)載電路圖2.21晶閘管負(fù)載波形a)觸發(fā)脈沖，b)負(fù)載電壓，c)負(fù)載電流控制角導(dǎo)通角2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)概述（a）

（b）

（c）

（d）圖2.22全控型器件電氣符號

(a)N溝道增強(qiáng)型MOSFET,(b)P溝道增強(qiáng)型MOSFET,

(c)IGBT,(d)自定義符號全控型開關(guān)工作原理1）MOSFET：利用柵極電容電場效應(yīng)控制漏源兩極之間體區(qū)載流子通道（溝道）的形成，由電子或空穴溝道類型及其增強(qiáng)型或耗盡型柵極信號分成四種器件類型。2）IGBT：融合了MOSFET和晶體管的載流子形成與控制機(jī)理，相比功率MOSET，同時能建立兩種載流子通道，其許用開關(guān)頻率低、耐壓高。3）自定義器件符號：3端表示門極信號控制端，32端之間電壓ug為門極控制信號，輸出電流io從1端流向2端的器件單向工作電流，輸出電壓uo表示器件12端的工作電壓。2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)靜態(tài)工作特性（a）

（b）圖2.23全控型開關(guān)靜態(tài)工作特性曲線：（a）工作區(qū)，（b）理想特性全控型開關(guān)靜態(tài)工作特性曲線1）輸出特性、轉(zhuǎn)移特性。2）四個工作區(qū)：截止區(qū)、準(zhǔn)線性區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū)。3）理想工作特性：截止?fàn)顟B(tài)的Ⅰ區(qū)與導(dǎo)通狀態(tài)的Ⅱ區(qū)之間的雙向切換，受控于器件門極信號ug。2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)安全工作區(qū)圖2.24全控型開關(guān)安全工作區(qū)全控型開關(guān)安全工作區(qū)1）器件的安全工作區(qū)SOA定義、分類。2）器件擊穿：二次擊穿、熱擊穿。3）直流工作極限曲線：歐姆限制線Ron。4）脈沖工作極限曲線：功耗。2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)寄生器件功率MOSFET局部物理結(jié)構(gòu)示意功率MOSFET寄生器件1）通態(tài)電阻RDS(on)。2）寄生極間電容。3）內(nèi)部體二極管。4）寄生雙極晶體管。IGBT內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)示意IGBT寄生器件1）通態(tài)電阻RDS(on)。2）寄生極間電容。3）內(nèi)部體二極管。4）寄生雙極晶體管。5）寄生MOSFET。6）寄生SCR2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型器件開關(guān)特性（a）

（b）圖2.25全控型器件開關(guān)特性：（a）測試電路，（b）波形全控型器件開關(guān)特性1）開關(guān)特性波形依賴實際器件類型、工作機(jī)理、制造工藝和測試電路。2）器件導(dǎo)通、截止的電流和電壓曲線存在交越，存在開通、關(guān)斷損耗。3）器件的寄生電容、線路寄生電感、線路電阻的能量交換與散發(fā)，使得器件工作電流和電壓波形在開關(guān)時刻出現(xiàn)振蕩衰減現(xiàn)象。2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)應(yīng)用案例（1.1）【例

2﹣11】在交變方波電壓源us供電下，Q1、Q2分別表示N溝道和P溝道增強(qiáng)型功率MOSFET，D1、D2分別是它們的反并聯(lián)二極管，OP1為比較器，R1為電阻負(fù)載，O1、O2為門極驅(qū)動器，功率二極管、阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載串聯(lián)的電路如圖2.26所示。其中，us的幅值為5V、頻率為10Hz，ug1、ug2分別為Q1和Q2的歸一化理想觸發(fā)脈沖信號，R1=2.5（Ω）。

假設(shè)功率半導(dǎo)體器件的通態(tài)壓降為0，試分析電路的工作原理。圖2.26N溝道和P溝道增強(qiáng)型功率MOSFET負(fù)載電路2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)應(yīng)用案例（1.2）圖2.27功率MOSFET電路的負(fù)載波形a)交變方波,b)門極信號,c)器件與負(fù)載電流圖2.26N溝道和P溝道增強(qiáng)型功率MOSFET負(fù)載電路2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)應(yīng)用案例（2.1）【例

2﹣12】在正弦交流電壓源供電下，三只N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET分別與功率二極管、阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載串聯(lián)的電路如圖2.28所示。其中，us=311sin314t（V），ug1、ug2、ug3分別為功率MOSFET器件的Q1、Q2和Q3的歸一化理想觸發(fā)脈沖信號，R1=R2=R3=3.11（Ω），L=10（mH），C=1350（μF），R=15.55（Ω）。假設(shè)功率MOSFET和功率二極管的通態(tài)壓降為0，功率MOSFET的門極信號的起始角和終止角分別為30°和60°，試概略繪制各負(fù)載的電壓和電流波形。圖2.28N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET負(fù)載電路2.2功率半導(dǎo)體器件—全控型開關(guān)應(yīng)用案例（2.2）圖2.28N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET負(fù)載電路圖2.29

N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET電路波形a)觸發(fā)脈沖，b)負(fù)載電壓，c)負(fù)載電流2.2功率半導(dǎo)體器件—器件熱阻熱阻計算公式物體溫升計算公式其中，熱阻Rth的單位為K/W，d為物體的傳熱長度（m），A為物體的傳熱面積（m2），λth為物體的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m?K))。其中，加熱功率PD的單位為W，溫差ΔT的單位為K(℃)。2.2功率半導(dǎo)體器件—器件熱阻應(yīng)用案例晶元的結(jié)溫計算為功率器件的溫升為此時，35A的工作電流下，功率半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)溫達(dá)到116℃，小于許用的器件操作溫度Tjmax=125℃，器件能夠安全工作。功率器件的功耗為解：【例

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