新能源汽车功率电子基础 第2版 课件 第1、2章 绪论、电路波形与功率半导体器件

第1章绪论目录1.1汽车技术发展历程1.2纯电动汽车1.3混合动力电动汽车1.4插电式混合动力电动汽车1.5燃料电池汽车1.6功率电子学与电动汽车关系配套教材：程夕明等，新能源汽车功率电子基础，机械工业出版社，2018.3/2023.10。1.1汽车技术发展历程—概述1.1汽车技术发展历程—阶段性事件1.1汽车技术发展历程—汽车电子标志性事件1957年，Chysler&Bendix开发模拟电子燃料喷射系统；1968年，Bosch为VW汽车开发电子燃料喷射系统ECU，汽车电子专业术语ECU（electroniccontrolunit）从此诞生1969年，Ford汽车开发了计算机控制的防滑系统；1971年，Chysler&Bendix为Imperia标配计算机控制的ABS1971年，GM和Motorola开发了计算机控制的变速器1981年，Motorola专门为GM开发微控制器MCU68021987年，Benz/BMW/Toyota引入车载电子稳定控制系统1988年，Chysler标配驾驶员侧安全气囊1991年，GM路试纯电动汽车EV11997年，Toyota投放混合动力汽车Prius1999年，Benz2000-s配置雷达巡航控制2000年，BMW7系配置车载导航2002年，Nissan为InfinitiQ45配置后视摄像头2023年，BYD仰望汽车集成易四方系统、云辇智能车身控制系统1.1汽车技术发展历程—智能汽车发展1925年，FrancisHoudina在美国纽约Manhattan大街验证了一辆无线遥控汽车1986年，美国CarnegieMellonUniversity世界首辆自动驾驶汽车Nalab12002年，美国DARPA设立100万美元无人驾驶汽车大奖赛2003年，日本丰田Prius配置了自动泊车辅助系统2009年，美国Google启动了Waymo无人驾驶汽车项目2013年，中国百度启动无人汽车项目2014年，法国

Navya世界首辆商用无人驾驶巴士2016年，美国Tesla推出Level3智能电动汽车上市2018年，美国Nvidia推出了一个AI无人驾驶汽车芯片

Xavier2018年，百度推出无人车Apollo2023年，华为发布无高精地图智驾系统ADS2.0、智能汽车解决方案2030

1.1汽车技术发展历程—电子技术发展趋势辅助

智能网联移动服务ESCLevel1Level2Level3Level4Level5V2X避撞行人避撞、车道保持1.2纯电动汽车—我国新能源汽车发展战略战略

（1）2010年10月，新能源汽车成为中国的七大战略新兴产业之一。

（2）2012年7月，国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》。

（3）2014年5月，习近平总书记指出，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。

（4）2020年9月，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布：中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。

（54）2020年11月，国务院发布《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》。政策

（1）2009年1月，财政部、科技部联合出台《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》。

（2）2013年9月，四部委联合出台《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》。

（3）2016年12月，四部委出台《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》。

（4）2020年4月，四部委出台《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》。

（5）2021年12月，四部委出台《关于2022年新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》。成果

（1）2015年市场规模第一；2020年产业领跑、技术领先；2022年出口第一,67.9万辆。

（2）2022年，销量688.7万辆,占世界超60%,渗透率26%,自主品牌占49.9%。1.2纯电动汽车—动力结构图1.1纯电动汽车的动力系统结构信号连接1.2纯电动汽车—案例聆风：2010年10月，第一辆规模化纯电动汽车上市，日产汽车公司。ModelS：2012年，第一辆豪华纯电动汽车上市，0-96km/h@5s；2014年，全时四驱车型上市，0-96km/h@3.2s，配套ADAS；2016年，Level3智能电动汽车上市；2016年，500km车型上市；

特斯拉汽车公司。I3：2013年，第一辆小型碳纤维电动汽车上市，最高时速150km，宝马汽车公司。汉EV：2023年，C级车，刀片电池，续驶里程可达715km。BYD：2022年全球销量最多的电动汽车公司，186万辆。市场：2022年全球超过1000万辆，中国市场销量536.5万辆，乘用车超500万辆。

1.2纯电动汽车—节能与减排机理1.节能

（1）相对于燃油汽车，纯电动汽车的等效经济性可提高200%。

（2）电动机及其控制系统的效率是发动机2~4倍。减排

（1）光伏、风能、水力发电，纯电动汽车几乎零排放。

（2）可控核能发电，城市纯电动汽车几乎零排放。

（3）燃煤发电，大城市纯电动汽车几乎零排放。

（4）电动汽车减排问题，应计算全生命周期的整车、零部件、运输、使用等各环节的碳排放问题。1.2纯电动汽车—特质结构简洁、线控驱动

电池、电动机及其控制器、差速器。2.性能好—绿色行驶、加速快、低噪声、振动小

电动机及其控制器，高效率（95%）、高比功率（5kW/kg）、高比转矩（10N∙m/kg）、高转速（12000r/min）。质量大

电池系统，低比能量（250Wh/kg），长充电时间（8h），低耐久性（~10年/16万km），低安全性（热失控），高成本（1.0元/Wh），低充电费。系统集成成本低

零部件少：取消变速器，电动汽车的零部件比燃油汽车少80%。底盘简洁：取消传动轴，排气系统。1.2纯电动汽车—新技术1.动力

（1）组合式电驱动：前后桥电机、多驱动桥电机。

（2）分布式电驱动：轮边电机、轮毂电机。

（3）智能电池管理系统。2.滑板式智能底盘

（1）机械与电气协调制动。

（2）分布式制动与稳定控制。

（3）智能传感器与执行器。3.电子电气架构

分布式计算中心、域控制器、两线制以太网、网关（路由器）、环境感知系统、云计算、信息安全、电磁兼容性。4.车身底盘一体化压铸技术1.2纯电动汽车—底盘布置案例1特斯拉纯电动汽车后桥驱动底盘布置图1.2纯电动汽车—底盘布置案例2特斯拉纯电动汽车前后桥驱动底盘布置图1.2纯电动汽车—底盘布置案例2比亚迪汽车前后桥驱动底盘布置图CTC刀片电池八合一IMCPMC1.2纯电动汽车—底盘布置案例3滑板式线控智能电动底盘1.2纯电动汽车—智能化环境感知系统巡航控制避撞控制车道识别交会预警全景视觉盲点检测驻车辅助后撞警示V2X1.3混合动力电动汽车—概述1.节能减排

（1）节能50%，依赖混合度（轻混、中混、重混）。

（2）减排90%，CO2。

2.动力系统复杂

（1）保留了发动机及其传动系统。

（2）增加了电驱动系统。

（3）增加了机电复合装置。

（4）增加了系统控制难度。

（5）增加了底盘布置难度。结构类型多

串联、并联、混联。1.3混合动力电动汽车—串联型图1.2沃林混合动力系统结构串联节能途径：

1.纯电驱动； 2.机电联合制动； 3.发动机高效工作； 4.发电储能。工作特点 1.全时纯电驱动； 2.系统效率低； 3.低排放。1.3混合动力电动汽车—并联型图1.3本田英赛特混合动力系统结构并联节能途径：

1.纯电驱动； 2.机电联合制动。 3.发动机高效工作； 4.即时起动； 5.混合驱动； 6.取消怠速； 7.发电储能。工作特点

间隙混合驱动。1.3混合动力电动汽车—混联型图1.4丰田普锐斯的THSⅡ混合动力系统结构混联节能途径：

1.纯电驱动； 2.机电联合制动； 3.发动机高效工作； 4.即时起动； 5.混合驱动； 6.取消怠速； 7.发电储能。工作特点

全时混合驱动。1.4插电式混合动力电动汽车—概述1.结构特点

车载动力蓄电池组具有电网充电功能的混合动力电动汽车。

典型车型

（1）增程式

理想L7；问界M5；深蓝SL03增程版

（2）串并联型

比亚迪秦DMI、宋DMI、汉DMI、唐DMP、方程豹DMO 1.4插电式混合动力电动汽车—动力架构图1.5（插电式）混合电动汽车动力系统架构图1.4插电式混合动力电动汽车—动力架构案例图1.6比亚迪超级混动技术DM-i结构示意图1.4插电式混合动力电动汽车—案例比亚迪汽车方程豹超级混动平台示意图CTC刀片电池PMCHDS前后电子差速锁和能量中锁1.5燃料电池汽车—概述图1.7燃料电池电动汽车动力系统结构串联节能途径：

1.纯电驱动； 2.机电联合制动； 3.FCS高效工作； 4.发电储能。工作特点 1.全时纯电驱动； 2.系统效率高； 3.加氢快； 4.无里程焦虑； 5.零排放。发动机效率提高PMSM电动和发电运行发动机停止PMSM电动功能电制动能量回收PMSM发电功能1.6功率电子学与电动汽车技术的关系-案例效率提升/工况美国城市工况欧洲ECE城市工况日本10-15工况发动机效率提高59%56%53%发动机停止13%20%27%电制动能量回收28%24%20%表1.2三种工况下普锐斯混合动力电动汽车燃油经济性提高的贡献比例1.6功率电子学与电动汽车技术的关系-图解图1.8新能源汽车技术与功率电子学的密切关系汽车能源转型汽车动力创新1.6功率电子学与电动汽车技术的关系-架构纯电动汽车高压电气系统架构示意图OBCPDU1.6功率电子学与电动汽车技术的关系-案例1比亚迪汽车e平台演进技术路线安全、高效、智能、美学八合一1.6功率电子学与电动汽车技术的关系-案例2150kW,310N·m270kW,

360N·m比亚迪汽车八合一总成1.6功率电子学与电动汽车技术的关系-案例3比亚迪汽车仰望易四方技术150kW,310N·m270kW,

360N·m锁止差速轮边独立电驱动系统四轮转矩独立控制底盘智能稳定控制本章知识点纯电动汽车的主要技术特点。三相交流电动机驱动.当前主流车载储能装置是电化学电源—锂离子蓄电池.车辆行驶的零排放,振动小,低噪声,加速快,维护少,充电慢.插电式混合动力电动汽车的定义与结构形式。插电式混合动力电动汽车是具有连接电网充电功能和较长距离纯电行驶里程的混合动力电动汽车.按能量流分类，插电式混合动力汽车有串联、并联和混联三种结构形式.新能源汽车的典型车载功率电子技术。逆变技术,直流转换技术和整流技术是新能源汽车功率电子技术的三个主要方面内容.它们分别应用于车辆的电驱动装置,DC/DC变换器和车载充电机.车用功率电子技术开启了汽车颠覆式创新技术的新一轮发展.本章作业仿真分析

学习使用PSIM软件及应用案例书面作业

1.1、1.2、1.3、1.4、1.5欢迎同学们提问与讨论！第2章电路波形

与功率半导体器件目录2.1电路的波形及其参数

表征参数、解析方法、谐波2.2功率半导体器件

类型、工作原理、应用特征、稳态模型、仿真2.3直流开关

型式、电路原理、典型应用2.1电路的波形及其参数—波形参数周期频率幅值：指物理量在一个周期内出现的最大绝对值，也叫峰值。峰峰值：指物理量在一个周期内出现的最大值和最小值之差的绝对值。平均值有效值2.1电路的波形及其参数—波形参数自学内容学习波形参数的计算方法

直流，正弦波，三角波，矩形波。学习案例

例2-1至例2-7。作业

习题二，2.1。

2.1电路的波形及其参数—谐波定义

数学基础：傅里叶级数（同济大学V7.高等数学下.307-321）基波指频率为ω的傅里叶级数分量。

谐波指频率为ω的整数倍（>1）的傅里叶级数分量。总畸变率THD2.1电路的波形及其参数—谐波案例（1）例2-8频率为50Hz、幅值为10A的方波电流的波形如图2.12(a)上图所示，求：（1）方波电流的基波和谐波的数学表达式。（2）方波电流的总畸变率。解题思路：（1）掌握谐波的定义；（2）应用傅里叶级数表达方波电流；（3）熟记有效值计算公式；（4）总畸变率THD计算公式；（5）采用Matlab绘制波形。2.1电路的波形及其参数—谐波案例（2）图2.12方波电流及其基波、低次谐波2.2功率半导体器件—器件分类与发展（1）功率电子技术的发展史是以功率半导体器件的发展史为纲的。水银汞弧整流器电子真空管初始期半控期全控期水银汞弧可控整流器晶体管晶闸管PowerMOSFETGTOIGBTIGCTSiC/GaN2.2功率半导体器件—器件分类与发展（2）器件名称功率二极管晶闸管SCR功率MOSFETIGBT控制功能不可控型半控型全控型全控型门极驱动—电流型电压型混合型覆盖功率~10kW10kW~覆盖电压~100V650V~覆盖频率~1k~1MHz~20kHz典型应用整流斩波汽车低压电气车辆电驱动发展方向高频化、耐高温、低功耗、易驱动；硅基→宽禁带材料SiC、GaN。2.2功率半导体器件—器件分类与发展（3）*重庆大学：曾正，SiC功率器件的性能表征、封装测试与系统集成，中国电源学会第23届学术年会，深圳，2019年11月1日。2.2功率半导体器件—功率二极管概述（a）

（b）图2.13二极管：（a）电气符号，（b）伏安特性曲线阈值电压UTO

正向电流快速上升的临界电压，接近器件的通态压降，器件完全导通。击穿电压UBD

器件反向截止后，施加在器件两端使反向电流快速上升的临界电压。导通原理

PN结正向导通、反向截止。2.2功率半导体器件—功率二极管反向恢复特性图2.14功率二极管的反向恢复特性曲线根源器件正向导通时，少数载流子出现电荷存储效应。器件复合载流子，并反向抽取电荷，空间电荷区扩大至载流子动态平衡。

模型器件反向恢复过程可以描述为电荷、结电容的非线性变化。

表征反向恢复电荷Qrr；反向恢复时间trr；反向恢复峰值电流IRM。

（a）

（b）

（c）图2.16功率二极管的近似伏安特性曲线:(a)理想,(b)准理想,(c)线性数据手册典型参数1）正向电流IF(AV)：在管壳温度Tc一定的条件下，通过器件的正弦半波电流的平均值。2）反向峰值电压UR：在器件两端所能施加的反向最大直流电压。3）结温Tj：指功率二极管的晶元的工作温度范围，比如﹣40～175℃。4）阈值电压UTO：在Tj一定的条件下，器件正向导通的门槛电压值。5）通态压降UF：在结温和正向通态电流一定的条件下，器件的正向压降。6）反向饱和电流IR：当Tj和UR一定时，流经器件的反向电流。2.2功率半导体器件—功率二极管模型与典型参数例2-9二极管VD与电阻R串联的电路如图2.21所示，二极管的型号为IN4001。（1）当电源us为直流12V时，估算电阻R的阻值。（2）采用(1)的电阻，当电源us为幅值12V和频率50Hz的正弦波时，估算二极管VD的电流平均值、电流有效值和最大功耗。（3）绘制（2）中的二极管VD的电压波形。图2.17例2-9的电路解题思路：（1）查阅二极管IN4001的技术规格；（2）获取IN4001的定额工作参数；（3）由额定电流估算电阻R；（4）运用波形参数计算公式；（5）采用Matlab绘制波形。2.2功率半导体器件—功率二极管应用案例（1.1）2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.2）解：（1）查阅二极管IN4001的技术规格，估算电阻R值。图2.17例2-9的电路解续：（2）运用波形参数计算公式，估算二极管电流、电压。

由于正弦波的交变特性，运用二极管VD的单向导电特性，写出其电流计算公式。图2.17例2-9的电路2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.3）解续：（2）运用波形参数计算公式，估算二极管功率。

由于正弦波的交变特性，运用二极管VD的单向导电特性，由电流计算公式，写出二极管的功率表达式。因此，二极管的最大功耗1W。图2.17例2-9的电路2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.4）图2.18例2-9的二极管电压波形:(a)理想模型,(b)准理想模型解续：（3）采用Matlab绘制端电压波形

2.2功率半导体器件—功率二极管应用例题（1.5）2.2功率半导体器件—晶闸管概述（a）

（b）

（c）图2.19晶闸管:(a)电气符号,(b)伏安特性,(c)理想模型SCR工作原理1）若门极无电流脉冲触发信号，器件类似功率二极管行为。2）若门极有触发信号，器件正向导通所需的正向转折电压UFBD减小。3）正向导通：施加正向端电压和门极触发脉冲。4）导通擎住：器件正向导通后，门极触发信号不能使器件截止。5）反向截止：正向导通后，无门极触发脉冲，减小器件电流至0。正向转折电压反向击穿电压2.2功率半导体器件—晶闸管应用案例（1.1）【例

2﹣10】正弦交流电压源供电下，三只晶闸管分别与阻性负载、感性负载和容性负载串联的电路如图2﹣20所示。其中，us=311sin314t（V），ug1、ug2、ug3分别为晶闸管Q1、Q2和Q3的归一化理想触发脉冲信号，R1=R2=R3=3.11（Ω），L=20（mH），C=1350（μF）。

假设三只晶闸管的通态压降为0V，它们的控制角α为30°，试概略绘制各负载的电压和电流波形。图2.20晶闸管负载电路2.2功率半导体器件—晶闸管应用案例（1.2）图2.20晶闸管负载电路图2.21晶闸管负载波形a)触发脉冲，b)负载电压，c)负载电流控制角导通角2.2功率半导体器件—全控型开关概述（a）

（b）

（c）

（d）图2.22全控型器件电气符号

(a)N沟道增强型MOSFET,(b)P沟道增强型MOSFET,

(c)IGBT,(d)自定义符号全控型开关工作原理1）MOSFET：利用栅极电容电场效应控制漏源两极之间体区载流子通道（沟道）的形成，由电子或空穴沟道类型及其增强型或耗尽型栅极信号分成四种器件类型。2）IGBT：融合了MOSFET和晶体管的载流子形成与控制机理，相比功率MOSET，同时能建立两种载流子通道，其许用开关频率低、耐压高。3）自定义器件符号：3端表示门极信号控制端，32端之间电压ug为门极控制信号，输出电流io从1端流向2端的器件单向工作电流，输出电压uo表示器件12端的工作电压。2.2功率半导体器件—全控型开关静态工作特性（a）

（b）图2.23全控型开关静态工作特性曲线：（a）工作区，（b）理想特性全控型开关静态工作特性曲线1）输出特性、转移特性。2）四个工作区：截止区、准线性区、饱和区、击穿区。3）理想工作特性：截止状态的Ⅰ区与导通状态的Ⅱ区之间的双向切换，受控于器件门极信号ug。2.2功率半导体器件—全控型开关安全工作区图2.24全控型开关安全工作区全控型开关安全工作区1）器件的安全工作区SOA定义、分类。2）器件击穿：二次击穿、热击穿。3）直流工作极限曲线：欧姆限制线Ron。4）脉冲工作极限曲线：功耗。2.2功率半导体器件—全控型开关寄生器件功率MOSFET局部物理结构示意功率MOSFET寄生器件1）通态电阻RDS(on)。2）寄生极间电容。3）内部体二极管。4）寄生双极晶体管。IGBT内部物理结构示意IGBT寄生器件1）通态电阻RDS(on)。2）寄生极间电容。3）内部体二极管。4）寄生双极晶体管。5）寄生MOSFET。6）寄生SCR2.2功率半导体器件—全控型器件开关特性（a）

（b）图2.25全控型器件开关特性：（a）测试电路，（b）波形全控型器件开关特性1）开关特性波形依赖实际器件类型、工作机理、制造工艺和测试电路。2）器件导通、截止的电流和电压曲线存在交越，存在开通、关断损耗。3）器件的寄生电容、线路寄生电感、线路电阻的能量交换与散发，使得器件工作电流和电压波形在开关时刻出现振荡衰减现象。2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（1.1）【例

2﹣11】在交变方波电压源us供电下，Q1、Q2分别表示N沟道和P沟道增强型功率MOSFET，D1、D2分别是它们的反并联二极管，OP1为比较器，R1为电阻负载，O1、O2为门极驱动器，功率二极管、阻性负载、感性负载和容性负载串联的电路如图2.26所示。其中，us的幅值为5V、频率为10Hz，ug1、ug2分别为Q1和Q2的归一化理想触发脉冲信号，R1=2.5（Ω）。

假设功率半导体器件的通态压降为0，试分析电路的工作原理。图2.26N沟道和P沟道增强型功率MOSFET负载电路2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（1.2）图2.27功率MOSFET电路的负载波形a)交变方波,b)门极信号,c)器件与负载电流图2.26N沟道和P沟道增强型功率MOSFET负载电路2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（2.1）【例

2﹣12】在正弦交流电压源供电下，三只N沟道增强型功率MOSFET分别与功率二极管、阻性负载、感性负载和容性负载串联的电路如图2.28所示。其中，us=311sin314t（V），ug1、ug2、ug3分别为功率MOSFET器件的Q1、Q2和Q3的归一化理想触发脉冲信号，R1=R2=R3=3.11（Ω），L=10（mH），C=1350（μF），R=15.55（Ω）。假设功率MOSFET和功率二极管的通态压降为0，功率MOSFET的门极信号的起始角和终止角分别为30°和60°，试概略绘制各负载的电压和电流波形。图2.28N沟道增强型功率MOSFET负载电路2.2功率半导体器件—全控型开关应用案例（2.2）图2.28N沟道增强型功率MOSFET负载电路图2.29

N沟道增强型功率MOSFET电路波形a)触发脉冲，b)负载电压，c)负载电流2.2功率半导体器件—器件热阻热阻计算公式物体温升计算公式其中，热阻Rth的单位为K/W，d为物体的传热长度（m），A为物体的传热面积（m2），λth为物体的导热系数(W/(m∙K))。其中，加热功率PD的单位为W，温差ΔT的单位为K(℃)。2.2功率半导体器件—器件热阻应用案例晶元的结温计算为功率器件的温升为此时，35A的工作电流下，功率半导体开关的结温达到116℃，小于许用的器件操作温度Tjmax=125℃，器件能够安全工作。功率器件的功耗为解：【例

2﹣