现代电力电子器件与其应用

现代电力电子器件与其应用第一页，共95页。现代电力电子技术与应用第二页，共95页。1.1 本课程内容■本课程主要学习内容：对电力电子学科和器件的发展历程、特点和发展方向等问题有基本了解。对电力电子器件的概念、特点和分类等问题有较清晰的认知。对电力电子器件开关过程及软开关技术有初步了解与认知。对电力电子电路中半导体器件和PCB寄生参数对电路特性的影响有基本印象。

第三页，共95页。电力电子技术是从电气工程中3大学科领域（电力、控制、电子）发展起来的一门新型交叉学科。电力电子技术特点：弱电控制强电的交叉学科与技术；所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测量、计算机仿真、CAD）等。传送能量的模拟-数字-模拟转换技术；多学科知识的综合设计技术。1.2电力电子学科及器件简介第四页，共95页。1.2电力电子学科及器件简介当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电能中有40%需要经过电力电子设备的变换才能被使用。IEEE给出电力电子技术的定义：Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform.简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得到的电能变换为所需要的电源的一门科学应用技术，即电能变换技术。第五页，共95页。服务对象：电能的产生＼传输＼分配＼应用1.2电力电子学科及器件简介服务于电能产生＼传输＼分配＼应用全过程；提高电力系统的可控性，实现电力系统高效、经济、稳定、安全的运行。电力环境的治理电能质量:APF\DVR\UPQC稳定性:SVC\SVG（StaticVarCompensator/Generator）可控制性\输送能力:HVDC\UPFC\TCSC第六页，共95页。电力电子技术的主要应用领域：电源设计中的电力电子技术；电机传动中的电力电子技术；电力系统中的电力电子技术；汽车工业中的电力电子技术；绿色照明中的电力电子技术；

新能源开发中的电力电子技术；1.2电力电子学科及器件简介第七页，共95页。电力电子技术的发展方向集成化模块化智能化高频化不断提高装置效率不断拓展电压、电流应用范围1.2电力电子学科及器件简介第八页，共95页。电力电子器件的定义电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。1.2电力电子学科及器件简介第九页，共95页。电力电子器件的特征

◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。◆由信息电子电路来控制,而且需要专门的驱动电路。◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。1.2电力电子学科及器件简介第十页，共95页。电力电子器件的作用■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。1.2电力电子学科及器件简介第十一页，共95页。第2章典型功率器件的介绍2.1电力电子器件分类2.2传统全控电力电子器件2.3宽禁带电力电子器件第十二页，共95页。■电力电子器件分类：1）按照能够被控制电路信号所控制的程度◆不可控器件☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。

◆半控型器件

☞主要是指晶闸管（SCR,Thyristor）及其大部分派生器件。☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。◆全控型器件☞目前最常用的是

IGBT和

MOSFET。

☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。2.1电力电子器件分类第十三页，共95页。■电力电子器件分类：2）按照驱动信号性质分类

◆电流驱动型

☞从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断。如SCR，BJT◆电压驱动型

☞在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可导通或者关断。3）按照驱动波形来分（电力二极管除外）◆脉冲触发型（半控器件SCR）◆电平控制型（全控器件MOSFET）2.1电力电子器件分类第十四页，共95页。■电力电子器件分类：4）按照载流子参与导电的情况◆单极型器件☞由一种载流子参与导电。MOSFET◆双极型器件

☞由电子和空穴两种载流子参与导电。BJT◆复合型器件☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。IGBT2.1电力电子器件分类第十五页，共95页。晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有的应用。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了IGBT的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现IGBT的特性。IGCT具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点（相对于高压、大功率器件而言）。2.2传统全控电力电子器件门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十六页，共95页。结构：与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。GTO的内部结构和电气图形符号

a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图1.GTO的结构和工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理2.2传统全控电力电子器件门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十七页，共95页。晶闸管的双晶体管模型及其工作原理由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2

。1+2=1是器件临界导通的条件。特点分析：普通晶闸管1+2≥1.15,导通饱和程度深,无法用门极负脉冲使其关断;GTO导通时1+2≈1.05，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。2.2传统全控电力电子器件1.GTO的结构和工作原理门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十八页，共95页。开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt—残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短;

tt阶段保持适当负电压,可以缩小尾部时间tt2.2传统全控电力电子器件Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开通和关断过程电流波形2.GTO的驱动特性门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十九页，共95页。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。小功率领域，仅在功放机、激光电源等高精度、快速放大电路中使用。2.2传统全控电力电子器件电力三极管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）1.GTR的结构和工作原理第二十页，共95页。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动2.2传统全控电力电子器件1.GTR的结构和工作原理电力三极管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）第二十一页，共95页。大电流GTR的β

小，Ib过大为获得较大β，可将两晶体管组成复合管。β

为两级之乘积，起到放大作用。Uces会有一定程度的增加。电阻：提供反向漏电流通路，提高复合管的温度稳定性。二极管：加速Q1的关断。达林顿结构1.GTR的结构和工作原理电力三极管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）2.2传统全控电力电子器件第二十二页，共95页。开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开通过程的办法：增大ib的幅值并增大dib/dt。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。加快关断速度的办法:一是减小饱和深度，最好是导通时工作在临界饱和状态，以减小储存电荷；二是增大基极抽取电流ib2的幅值和负偏压。GTR开关时间在几微秒（us）内，比晶闸管和GTO短，可用于工作频率较高的场合。2.2传统全控电力电子器件ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开通和关断过程电流波形2.GTR的驱动特效功率晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）第二十三页，共95页。2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）1.场效应晶体管分类Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor：MOSFET第二十四页，共95页。耗尽型外加PN结反向电压控制场效应晶体管栅－源之间PN结耗尽层宽度变化来控制沟道电导，称之为结型。2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）2.结型场效应晶体管第二十五页，共95页。耗尽型P沟道符号耗尽型N沟道符号耗尽型由于栅极G与其余两个电极之间是绝缘的，外加栅、源级之间的电场控制半导体中感应电荷量的变化控制沟道电导，因此称之为绝缘栅型。2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管第二十六页，共95页。反型层耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，称之为耗尽型。栅极电压大于零时才存在导电沟道，称之为增强型。按导电沟道可分为P沟道和N沟道。功率MOSFET主要是：增强型绝缘栅N沟道场效应晶体管增强型EGSEDS2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管第二十七页，共95页。目前流行的结构:具有垂直导电双扩散MOS结构的N沟道增强型MOSFET2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管第二十八页，共95页。MOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：Ⅰ：可变电阻区Ⅱ：饱和区（恒流区，等效于晶体管的放大区）Ⅲ：击穿区Ⅳ：截止区MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(a)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(b)输出特性ⅠⅡⅢVBRⅣ通态时，MOSFET可等效为具有正温度系数的电阻！2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管第二十九页，共95页。MOSFET高频简化等效电路模型2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管第三十页，共95页。①开关速度：②通态等效电阻：③通态管压降：④不易制成高压器件：20ns~200ns正温度系数比晶闸管、晶体管要高≤1200VMOSFET使用注意事项①防止静电②防止栅极悬空③散热2.2传统全控电力电子器件金属-氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）3.绝缘栅型场效应晶体管第三十一页，共95页。IGBT物理结构示意图2.2传统全控电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1.IGBT结构第三十二页，共95页。IGBT:InsulatedGateBipolarTransistorMOSFET物理结构IGBT物理结构2.2传统全控电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）1.IGBT结构第三十三页，共95页。IGBT理想等效电路IGBT符号晶体管基区内的调制电阻IGBT物理结构示意图2.2传统全控电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）2.IGBT理想等效电路和符号第三十四页，共95页。IGBT简化等效电路IGBT物理结构示意图2.2传统全控电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）3.IGBT简化等效电路第三十五页，共95页。2.产生原因IGBT完整等效电路IGBT简化等效电路1.擎住效应概念3.解决方法确保集电极电流IC不超过最大允许值ICM减小关断时的集-射极电压变化率。Rbr压降过高36/592.2传统全控电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）4.IGBT擎住效应第三十六页，共95页。b）IGBT转移特性c）IGBT输出特性Q2：MOSFET或IGBT能否像三极管一样工作在放大状态？a)IGBT符号Ⅱ饱和区Ⅲ有源区2.2传统全控电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）5.IGBT转移、输出特性第三十七页，共95页。开关控制开关速度通态压降安全区域反向耐压驱动电路其他输入阻抗高，驱动功率小速度介于MOSFET和BJT之间低于MOSFETSOA较BJT大非常低，约几十伏有擎住效应和电流拖尾3.3KV-4.5KV/1200-1800A器件已开始实用，而且还还有较大提升空间2.2传统全控电力电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）6.IGBT主要特点第三十八页，共95页。向大功率、高频、高效化方向发展人们寄希望于宽禁带半导体功率器件来解决第一代、第二代功率器件的输出功率低、效率较低和工作频率有限等方面的问题第一代半导体功率器件以Si双极型(BJT)功率晶体管为代表第二代半导体功率器件以Si场效应晶体管和IGBT为代表第三代半导体功率器件以SiC场效应功率晶体管和GaN高电子迁移功率晶体管为代表半导体功率器件的发展历程：2.3宽禁带电力电子器件第三十九页，共95页。SiC和GaN由于独特晶体结构,其禁带宽度达到2.2eV(3C-SiC)，3.3eV(4H-SiC)和3.4eV(GaN)，远高于GaAs(1.4eV)和Si(1.1eV)

:工作温度高，理论结温可达600℃，器件的冷却系统可大为简化。热导率高,SiC达4.9W/cm℃,(Si为1.4)；SiC热导率远远高于大多数半导体，室温时几乎高于所有金属。电子饱和漂移速度高，达2x107cm/s(SiC)和2.5x107cm/s(GaN)，适于高频工作。开关损耗低1～2个数量级。击穿电场高达2x106V/cm(4H-SiC)

和3.3x106V/cm(GaN)为Si的8倍和10倍，能够实现高工作电压。抗辐照能力比GaAs和Si强1-2个数量级。2.5 SIC等宽禁带半导体器件简介2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件第四十页，共95页。 >2xReductioninPriceofSiCDiodeHigherQualityWafersLargerProductionVolumesIncreaseWaferSizeQ3-FY0811.3Mega-AmpsShipped650V

2A,50A1200V

2A,50AJBS=JunctionBarrierSchottke2.5 SIC等宽禁带半导体器件简介宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件1.SiC结势垒肖特基二极管发展现状2.3宽禁带电力电子器件第四十一页，共95页。NotpossiblewithSitechnologyat600Vrating……thereforeSiCSchottkydiodeconceptrequired!2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件1.SiC结势垒肖特基二极管发展现状第四十二页，共95页。Areareduced38%Weightreduced44%Powerdensityup61%PowerSupplyBenefitsLargeSiCEmergingMarket:

-Diodesreducesmotorlossesupto30%-Diodes+MOSFETsreducelosses>50%-Liquidcoolingsystemeliminated;droppingwt&systemcost-Projectedfuelefficiencygain-5-15%HEVElectricalSubsystemsHonda–680V,200ASiCMOSFETinverters->46%lossreductionNissan–SiChetero-junctiondiodeinverter->50%lossreduction2.5 SIC等宽禁带半导体器件简介2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件2.SiCMOSFET发展现状第四十三页，共95页。2.5 SIC等宽禁带半导体器件简介2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件2.SiCMOSFET发展现状第四十四页，共95页。2.5 SIC等宽禁带半导体器件简介2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件2.SiCMOSFET发展现状BrettHull,CREE,SiCPowerTutorial,IEEEWiPDA2013第四十五页，共95页。Theon-resistance(RDS(ON))foragivendeviceareaisakeydeterminantofproductcost.EPC’sproductshavethesameon-resistanceandaresignificantlysmallerthanthebestsiliconpartsavailable.SmallerDieSizes200VGaNDevice(25milliOhms)200VSiliconDevice(30milliOhms)2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件3.GaNMOSFET发展现状第四十六页，共95页。2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件GaNMOSFET与SiMOSFET的品质因数（FOM）对比3.GaNMOSFET发展现状第四十七页，共95页。12V-1V24V-1V48V-1V250kHzReductionoflightloadefficiencyandhighconversionvoltageefficiencyismostlyduetothelimitationsofthecommercialdriverIC2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件GaNMOSFET同步Buck应用时的效率曲线3.GaNMOSFET发展现状第四十八页，共95页。ServerpowersuppliesusingEPC’sGaNtransistorshavepowerlossesthatareover50%lessthantheclosestsiliconsolution.LowestPowerLosses2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件GaNMOSFET同步Buck应用时的效率曲线3.GaNMOSFET发展现状12V-1V5A600kHzconversion第四十九页，共95页。Highfrequency,highvoltageratioPoLcriticalities:Theymustoperateatlowdutycycle(highvoltageratio);Theswitchingperiodisshortandoperationsareachievableonlywithfastswitchingcommutations;GaNdeviceshavethepotentialtoswitchON-OFFintheMHzrange(relatedtothedrivingcapabilityandtheassemblytechniques)NationalSemiconductor180W1/8thBrick,FullyRegulatedConverter2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件3.GaNMOSFET发展现状第五十页，共95页。2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件GaNTestResults@VDC=50V,ID=3A(EPC1010)开通过程关断过程113.GaNMOSFET发展现状第五十一页，共95页。2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件SiCTestResults@VDC=600V,ID=12A(CreeCMF20120D)开通过程关断过程4.GaN与SiCMOSFET对比第五十二页，共95页。2.3宽禁带电力电子器件宽禁带SiC和GaN半导体电力电子器件4.GaN与SiCMOSFET对比SiC二极管和MOSFET：高频（几百K）、大功率应用，如电动车、可再生能源发电等；沟道型SiCMOSFET的开发在2013年大幅加速。以前推出的SiCMOSFET只有平面型，尚未推出沟道型；GaNMOSFET：超高频（几十M）、中小功率应用，如无线功率传输，负载端直流变换器等；模块化、集成化将是SiC和GaN功率器件的发展方向，SiC和GaN器件的功率、电压等级将持续增加，工作频率将进一步提升；SiC投入研发的厂家非常多，主要集中在美国和日本：CREE，ROHM，三菱，富士，LG，三星等；GaN实现产品化的目前主要是EPC；第五十三页，共95页。第3章功率器件与软开关技术3.1软开关技术简介3.2软开关技术的分类3.3软开关技术的典型应用第五十四页，共95页。☞电力电子器件的基本开关过程对于任何一个电力电子单元来说，它的基本运行原理不外乎以下两种：第一，在交换能量的网络之间，开通与关断过程依次由一个开关来实现——称为“单开关的循环开关过程”；第二，有两个（或者两个以上）开关交替开通与关断，同时它们交互接替电流以及电压——称为“换流过程”（有时亦作换相过程）。3.1 软开关技术简介电力电子功率器件的开通、关断过程第五十五页，共95页。在一个含有电感元件的回路中，开关可以主动地开通。也就是说，它能够在任意时刻开通。当初始电流和开通时间趋近于零时，开关中不出现损耗，原因是回路电感能够立即吸收所出现的电压差。主动开通时，将要接续电流的开关两端具有正向电压。当开关被触发开通后，该电压降低，且开关电流的上升过程由半导体器件的开通机制所决定。3.1 软开关技术简介电力电子功率器件的开通、关断过程1.电力电子器件的基本开关过程——主动开通第五十六页，共95页。由于开关上外加电压的作用，无损耗的开通过程仅在us=0时才可以实现。而且其开通时刻电压的运行曲线及其过零时刻均由外部电路所决定，故该过程被称为被动开通。一个在us=0时刻开通的开关被称为零电压开关（ZVS=ZeroVoltageSwitch）。一个被动开通的半导体器件在开通前具有反向压降或者0压降。如果在外电路的作用下，该电压变为正值，器件将承受正向电流。若该电压上升速度过快，则易引起开通过电压。3.1 软开关技术简介电力电子功率器件的开通、关断过程2.电力电子器件的基本开关过程——被动开通第五十七页，共95页。处于导通状态下的半导体器件在主动关断时，当驱动信号撤消后，器件的电压会正向上升。然后，由一个有效的并联电容接续器件的电流，电流上升斜率由器件的关断机制决定。对于给定的半导体器件，关断损耗随电容值的增加而降低。3.1 软开关技术简介电力电子功率器件的开通、关断过程3.电力电子器件的基本开关过程——主动关断第五十八页，共95页。当回路中有电流是，由于电感中储存的能量必须被释放，所以不可能实现无能量转换的关断过程。由于关断时刻是由控制电路所决定的，因此该过程被称为被动关断。一个在is=0时刻关断的开关被称为零电流开关（ZCS=ZeroCurrentSwitch）。一个具有正向电流的半导体器件在被动关断时，电流在外部电压的作用下先是降至零。此时，半导体中储存的载流子使得电流向相反的方向流动，直至半导体器件重新获得截止能力，并开始承受回路的反向电压为止（反向恢复电流）。3.1 软开关技术简介电力电子功率器件的开通、关断过程4.电力电子器件的基本开关过程——被动关断第五十九页，共95页。零电压开通（零电压开关ZVS）开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断（零电流开关ZCS）开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。很多时候，仅称为零电压开关或零电流开关。且大多靠电路中的谐振来实现。零电压关断（基本不用）与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率。零电流开通（基本不用）与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率。可能会造成总损耗增加、关断过电压等负面影响。3.2 软开关电路的分类1.ZVS、ZCS、ZVZCS软开关电路分类第六十页，共95页。根据开关元件开通和关断时电压、电流的状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成：准谐振电路：谐振电压、电流峰值较高；PFM控制导致其他问题。零开关PWM电路：引入辅助开关管控制谐振的开始时刻，增加电路复杂度和成本。零转换PWM电路：引入与主开关管并联的辅助开关谐振电路控制谐振开始时刻，输入电压和负载变化对电路谐振过程的影响较小。3.2 软开关电路的分类软开关电路分类2.准谐振、零开关和零转换型软开关第六十一页，共95页。移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。3.3 软开关技术的典型应用移相全桥零电压开关PWM电路移相全桥型零电压PWM电路1.电路结构第六十二页，共95页。移相全桥ZVS变换器利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容或外接电容来实现开关管的零电压开关。3.3 软开关技术的典型应用硬开关及ZVS软开关过程示意图移相全桥型零电压PWM电路1.电路结构第六十三页，共95页。移相全桥电路的理想化波形移相全桥ZVS变换器的一个开关周期可分为12个工作模态（t0~t12），其理论工作波形见右图。由于全桥变换器拓扑的对称性，其前后半周呈反相位对称，故只须对变换器的前6个工作模态进行分析。3.3 软开关技术的典型应用移相全桥型零电压PWM电路2.工作过程第六十四页，共95页。互为对角的两对开关S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2时间，而S2的波形比S3超前0~TS/2时间，因此称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。3.3 软开关技术的典型应用移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形移相全桥型零电压PWM电路2.工作过程第六十五页，共95页。S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路在t1~t2阶段的等效电路t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时刻S1关断。t1~t2时段：t1时刻开关S1关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振回路，

uA不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。t2~t3时段：t2时刻开关S2开通，由于此时其反并联二极管VDS2正处于导通状态，因此S2为零电压开通。3.3 软开关技术的典型应用移相全桥型零电压PWM电路2.工作过程第六十六页，共95页。t3~t4时段：t3时刻开关S4关断后，变压器二次侧VD1和VD2同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与Lr构成谐振回路。Lr的电流不断减小，B点电压不断上升，直到S3的反并联二极管VDS3导通。这种状态维持到t4时刻S3开通。因此S3为零电压开通。3.3 软开关技术的典型应用移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形移相全桥型零电压PWM电路2.工作过程第六十七页，共95页。t4~t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大，t5时刻iLr=IL/kT，变压器二次侧VD1的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。t0~t5是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。3.3 软开关技术的典型应用移相全桥零电压开关PWM电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全桥电路的理想化波形移相全桥型零电压PWM电路2.工作过程第六十八页，共95页。LLC是一种通过控制开关频率来来实现输出电压恒定的谐振电路,它的优点是:实现原边两个主MOS开关的零电压开通(ZVS)和副边整流二极管的零电流关断(ZCS)。缺点：变压器漏感一致性较难控制，输出电压不能过低（>=12V）。3.3 软开关技术的典型应用LLC谐振电路原理图

LLC谐振软开关电路1.电路结构及工作过程第六十九页，共95页。3.3 软开关技术的典型应用

LLC谐振软开关电路2.典型应用第七十页，共95页。半桥型串联谐振逆变器主电路原理图输出频率50kHz~1MHz；输出电压、电流近似正弦波；输出功率70W~5kW；输入功率因数高于0.99；输入电流THD小于10%；整机效率92%~96%。

LCC谐振软开关电路1.工作原理及典型应用3.3 软开关技术的典型应用第七十一页，共95页。第4章功率器件的应用4.1PCB及功率器件寄生参数对电路的影响4.2米勒电容对功率器件特性的影响4.3功率MOSFET及其驱动电路4.4功率IGBT及其驱动电路4.5电力电子电路特点及其负面影响第七十二页，共95页。☞以单开关Boost变换器为例：绿色：输入电流；红色：驱动电压×5；黄色：输出电流；蓝色：中点电压/20。4.1PCB及功率器件寄生参数对电路的影响理想波形不考虑寄生参数的仿真波形第七十三页，共95页。☞实际工作波形有可能如下图所示：开关管电压及Boost电感电流波形

开关管电压及输出至电解电容的电流波形4.1PCB及功率器件寄生参数对电路的影响实验测试波形第七十四页，共95页。☞真实的电路模型近似（较难得到确切模型）如下图所示：输入电容C6至Boost电感L1之间的等效引线电感L3，类似的有L2，L4，L5，L6。Boost电感L1的等效寄生电容C2，类似的有C3，C4；电解电容等效串联电阻R4和R5。4.1PCB及功率器件寄生参数对电路的影响理论与实际的差距第七十五页，共95页。☞真实的电路模型近似如下图所示：开关管电压及Boost电感电流波形

开关管电压及输出至电解电容的电流波形4.1PCB及功率器件寄生参数对电路的影响考虑寄生参数的仿真波形第七十六页，共95页。☞减少L4，可明显地降低开关管导通时的电压过冲和电流振铃；

减小C4，可以明显地减小开关管关断电流振铃。减小L6，可以有效降低输出电流振荡，☞良好的PCB布局和器件选型，可以保证在较高的di/dt和dv/dt下，能极少甚至没有振荡，脉冲能量能够快速、低振荡地传递，从而减小对控制电路的干扰和EMI辐射。4.1PCB及功率器件寄生参数对电路的影响结论第七十七页，共95页。☞另外一个影响电路工作的因素是PCB接地问题。需要注意4点：功率回路的地在提供能量的电容处汇合，且环路面积最小；辅助电源的地跟主功率回路的地直接连接；控制芯片周边器件的地在芯片地点汇合，尽量粗而短；驱动电路与主电路的地在被驱动的开关管公共端汇合，且线不易太粗。4.1PCB及功率器件寄生参数对电路的影响关于接地问题一点接地并不总是可行！接地点选择主要考虑能量的来源和路径！信号出与回的路径与面积非常重要！减小地线阻抗往往比一点接地重要！第七十八页，共95页。4.2米勒电容对功率器件特性的影响

MOSFET开通过程AOT460的开通轨迹开通前，MOSFET起始工作点位于如图的右下角A点，AOT460的VDD电压为48V，Vgs的电压逐渐升高，Id电流为0，Vgs的电压到VGS(th)，Id电流从0开始逐渐增大。A-B就是Vgs的电压从VGS(th)增加到VGS(pl)的过程。从A到B点的过程中，可以在非常直观的发现，此过程工作于MOSFET的恒流区，也就是Vgs电压和Id电流自动找平衡的过程，即：Vgs电压的变化伴随着Id电流相应的变化，其变化关系就是MOSFET的跨导：跨导可以在MOSFET数据表中查到。当Id电流达到负载的最大允许电流ID时，此时对应的栅级电压1111111111111。由于此时Id电流恒定，因此栅极Vgs电压也恒定不变，见图中的B-C，此时MOSFET处于相对稳定的恒流区，工作于放大器的状态。开通前，Vgd的电压为Vgs-Vds，为负压，进入米勒平台，Vgd的负电压绝对值不断下降，过0后转为正电压。驱动电路的电流绝大部分流过CGD，以扫除米勒电容的电荷，因此栅极的电压基本维持不变。Vds电压降低到很低的值后，米勒电容的电荷基本上被扫除，即图中的C点，于是，栅极的电压在驱动电流的充电下又开始升高，见图中的C-D，使MOSFET进一步完全导通。C-D为可变电阻区，相应的Vgs电压对应着一定的Vds电压。Vgs电压达到最大值，Vds电压达到最小值，由于Id电流为ID恒定，因此Vds的电压即为ID和MOSFET的导通电阻的乘积。第七十九页，共95页。4.2米勒电容对功率器件特性的影响米勒电容效应的消除或利用SiCMOSFET1200V/90A/25mOhmCiss=2788pF/Coss=220pF/Crss=15pFtd(on)=14ns/tr=32ns/td(off)=29ns/tf=28nsSiIGBT1200V/60A/1.7VCiss=3700pF/Coss=180pF/Crss=150pFtd(on)=50ns/tr=44ns/td(off)=480ns/tf=80ns消除米勒效应的最简单有效的方法是：零电压软开关应用，ZVS开通，此时VDS=0，不存在米勒效应。第八十页，共95页。ActiveGateControl[5]suggestedanactive,independentdv/dtanddi/dtcontroltechniquesbymeansoffeedback(Millereffect)dv/dtcontrol:AddMillercapacitanceconnectinggateandcollectorAtgatenode,adependentcurrentsourcewhosecurrentisproportionaltocapacitorcurrentNetcurrentatgatenodeisIm(1-A).ByadjustingA,canchangethetotalcapacitanceacrossgateandcollector,andthuschangingdv/dt4.2米勒电容对功率器件特性的影响米勒电容效应的消除或利用第八十一页，共95页。dv/dtcontrol:ControlcircuitsactivatesonlywhendrainvoltageischangingControlactionbeginsassoonascollectorvoltageswitchingtransientbeginsAdjustmentsofdv/dtiseasytoaccomplishInthesamplecircuit,AisalinearfunctionofVc

4.2米勒电容对功率器件特性的影响ActiveGateControl米勒电容效应的消除或利用第八十二页，共95页。ExperimentalResults:Forbothturn-onandturn-offdv/dtcontrolcircuitswitha1.5nFexternalMillarcapacitor,dv/dtvariesoverarangeexceeding3:1Vdc=600VVCC=16VIC=20AVEE=-5VLLoad=1mHRg=40Operatingconditions:4.2米勒电容对功率器件特性的影响ActiveGateControl米勒电容效应的消除或利用第八十三页，共95页。功率MOSFET的典型隔离驱动电路☞电路工作过程：原边VT1，VT2构成的推挽式放大电路。脉冲输出高电平时，VT1导通，提供MOS管驱动功率；低电平时，VT2导通，电容上的储能提供反向脉冲。变压器副边输出的两路波形经调理电路后变成互补的脉冲信号，从而驱动MOSFET。4.3功率MOSFET及其驱动电路功率MOSFET典型驱动电路1.隔离型双路桥臂驱动电路第八十四页，共95页。功率MOSFET的自举驱动电路☞电路工作过程：首先下管MOSFET导通，驱动电源VDD通过二极管Db对自举电容Cb充电，待下管关断后，上管MOSFET需要开通时，自举电容上的电压被抬高至中点电压+VDD，因此上管MOSFET将获得VDD的驱动电压，从而可靠导通。CbDb4.3功率MOSFET及其驱动电路功率MOSFET典型驱动电路2.自举电容型双路桥臂驱动电路第八十五页，共95页。防止误导通：禁止MOSFET驱动端悬空；适当增大栅极驱动电阻；缩短驱动器与功率MOSFET的走线距离；减小驱动回路面积。防止过流损坏：增加硬件过流保护电路；器件选型时考虑MOSFET在最高工作温度、最大峰值电流下的安全区域要求；并联使用时驱动电路要调整，以保证驱动电压波形一致。防止过压损坏：在DS端增加缓冲电路；器件选型时留足电压裕量；在MOSFET能量输入端口增加高频去耦电容。4.3功率MOSFET及其驱动电路功率MOSFET典型驱动电路3.功率MOSFET使用时需注意的问题第八十六页，共95页。☞绝缘栅双极型晶体管:IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）。它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件；☞既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。☞由于T2和Rd的存在，可能会出现擎住效应。即T2和T3同时导通，使得门极失去控制作用而导致器件损坏。☞因此IGBT的驱动电路相对复杂。4.4功率IGBT及其驱动电路功率IGBT及其典型驱动电路1.功率IGBT特性分析IGBT等效电路第八十七页，共95页。IGBT典型驱动电路采用光耦合器作为信号隔离，因此能用于交流380V的动力设备上。IGBT通常只能承受10us的短路电流，如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断IGBT，从而保证IGBT不被损坏。如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏IGBT。

IGBT在开关过程中需要一个+15V电压以获得低开启电压，还需要一个-5V关栅电压以防止关断时的误动作。这两种电压（＋15V和-5V）均可由20v供电的驱动器内部