DC-AC转换器课件讲解

1第四节电力场效应晶体管234567二、电力ＭＯＳＦＥＴ的结构第四节电力场效应晶体管8第四节电力场效应晶体管一、什么是电力ＭＯＳＦＥＴ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ＭＯＳＦＥＴ的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。另外，电力ＭＯＳＦＥＴ的热稳定性优于双极型电力晶体管。但是电力ＭＯＳＦＥＴ电流容量小，耐压低，只适用于小功率电力电子装置。910三、电力ＭＯＳＦＥＴ工作原理第四节电力场效应晶体管11第五节绝缘栅双极型晶体管一、绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）是双极型电力晶体管和ＭＯＳＦＥＴ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。ＭＯＳＦＥＴ驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。ＩＧＢＴ综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压低。12131415第八节ＩＧＢＴ保护电路一、ＩＧＢＴ的失效机制ＩＧＢＴ的失效机制包括以下四点：１）ＭＯＳ绝缘栅结构在高温情况下会失去绝缘能力。２）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。３）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ＩＧＢＴ温度过高而失效。４）振动可能造成陶瓷片破裂，从而降低散热能力和绝缘能力。16171819谢谢20在新能源汽车上的应用IGBT模块大约占电机驱动系统成本的50%，而电机驱动系统大约占整车成本的15%-20%，是除电池之外成本最高的元件，也决定了整车的驱动性能。IGBT的主要作用是交流电和直流电的相互转换，同时IGBT还承担高低电压相互转换的功能。例如充电时外界输入的是交流电，需要通过IGBT把低压的220V电压转变成高压直流电给电池组充电；电池放电的时候，通过IGBT把高压直流电转变成交流电机所需要的低压交流电。图2-5-7IGBT在新能源汽车上的应用22232425IGBT模块中二极管的续流保护知识准备续流二极管是指以并联的方式连接在IGBT两端的二极管，如图3-3-3所示。当IGBT处于导通状态时，因为续流二极管反向偏置，所以不起作用。当IGBT处于截止状态时，电机定子线圈产生的反向突变电流可以绕过IGBT元件，通过正向偏置的续流二极管来进行放电，从而使感应电流可以平缓地释放，防止击穿IGBT元件，提高IGBT模块的安全性。图3-3-3续流二极管电路中的连接方式半桥逆变（half-bridgeinverter）电路1)当开关1闭合，2断开时，电流方向如图中步骤1所示；2)当开关2闭合,1断开时，开关2不能立即闭合，且在这一瞬间电感电流的方向不能突变，此时电流流过2反并联的二极管续流；27半桥逆变（half-bridgeinverter）电路3)电感电流过零后开关2闭合，电感电流反向流过开关2；4)当开关2断开，1再次闭合时，同理开关1不能立即闭合，同前述分析电感电流的方向不能突变，电流流过1反并联的二极管续流，之后的周期重复上述过程。2829303132333435363738逆变器的原理知识准备三相逆变器的作用是将直流电转换为交流电，主要由6个IGBT组成，每一相的输出线从连接正负母线的IGBT之间引出。工作过程如图3-3-2所示：为了将直流电变成交流电，6个IGBT会按照特定的次序导通和关闭，如下图所示。一个正弦交流电的周期是360°，每一相线错开120°输出同频率的交流电，连接驱动电机后就会在电机定子内部产生旋转磁场，因此转子可以旋转做功。图3-3-2逆变器工作过程任务导入传统汽车正常运转时，发动机通过皮带带动发电机发电，同时向蓄电池充电。与传统汽车蓄电池的充电方式不同，新能源汽车的DC/DC转换器将动力电池的高压直流电转变成为12V低压直流电，然后对辅助蓄电池充电。知识链接1：DC/DC转换器的认知知识准备如图3-1-1所示为新能源汽车DCDC应用结构图，DC/DC转换器是表示的是高压直流电源变换为低压直流电源，或者是低压直流电源变换为高压直流电源。在新能源汽车上主要有两种应用：1、动力电池输出的是高于200V的直流高压电，而汽车的车身用电设备使用的是12V直流低压电，这就需要一个DC/DC转换器来进行电压的降压转换。图3-1-1：新能源汽车DCDC应用结构图知识准备2、三相电网向充电桩输入交流电，经过整流电路整流变成低压直流电，滤波后输入DCDC变换器，经过变换输出需要的高压直流电，再次滤波后为新能源汽车的动力蓄电池充电，如图3-1-2所示。 图3-1-2新能源汽车充电电流转换图4344454647484950515253545556低压转高压DC/DC转换器的工作原理DC/DC转换器内部的4个IGBT分为两组，如图3-1-5所示，V1和V2为一组，V3和V4为另一组。其中一组IGBT导通时，则另一组IGBT截止，两组IGBT高频率地轮流导通截止，把输入的低压直流电转变成高频率的低压交流电。最后经过变压器的升压，并由两个二极管的整流和电容电感进一步的滤波后，低压直流电转换成高压直流电。图3-1-5转换器工作原理

任务导入动力电池对车辆提供直流电，但是大部分新能源汽车使用的电机都是三相交流电机。因此驱动三相交流电机的技术关键，是把直流电变成三相交流电后，提供给三相交流电机，使三相交流电机的转速和转矩满足汽车行驶的要求。

知识链接1：电机控制器的认知知识准备电机控制器主要由逆变器和控制器两部分组成。逆变器负责将动力电池输送过来的直流电转变成三相交流电后，对电机供电。控制器负责接收各种信号,改变逆变器的工作频率，从而实现汽车的加速或减速。新能源汽车使用的驱动电机通常是三相交流异步电动机或三相永磁同步电机。当对电机输入三相交流电时，电机转子就可以旋转对外做功，从而驱动汽车行驶。从外观上看，如图3-3-1所示，一般的电机控制器最少具备两对高压接口。一对输入接口，用于连接动力电池包高压接口的正负极；另外一对是高压输出接口，连接电机的三相输入接口。图3-3-1电机控制器知识链接4：三相交流电整流在新能源汽车上的应用知识准备在新能源汽车上，发电机和电动机的结构是相同的，主要由定子、转子、外壳等组成。电动机是定子接通三相交流电后驱动转子转动，将电能转化为机械能。而发电机则是外力带动转子旋转，使定子切割磁感线产生电流，从而将机械能转化为电能。新能源汽车减速或制动过程中，由于惯性的作用，车轮通过传动机构使电动机的转子受力转动，切割磁感线，从而产生三相交流电。由于动力电池的充电电流是直流电，所以需要三相整流电路进行整流后才能完成能量回收，如图3-2-4所示。图3-2-4制动能量回收示意图3.1认识磁现象及电磁感应

一、磁现象

1、磁场：是传递磁极之间相互作用力的媒介。磁场具有方向性。

2、磁感线：又叫做磁力线，是人为假想的曲线。图为条形磁铁周围的磁感线分布情况。

图3.1磁场对铁屑及小磁针的作用图3.2条形磁铁周围的磁感线二、电流的磁场及磁场对电流的作用1、电流的磁场通电导体形成的磁感线左手定则2、磁场对电流的作用放在磁场中的导体有电流通过时，导体会因受到磁场力的作用运动起来。磁场对通电导体的作用力称为安培力。三、电磁感应现象1、法拉第实验

法拉第实验电路右手定则产生电磁感应的条件是：闭合回路的磁场发生变化。2、磁场的基本物理量通常用来描述磁场的基本物理量有磁感应强度、磁通、磁导率和磁场强度。3.2电磁铁及磁路一、电磁铁

电磁铁是一个带有铁心的通电螺线管，电磁铁本身没有磁性，其磁性可以通过通、断电流来控制。1-线圈2-铁心3-衔铁电磁铁结构示意图二、磁化及铁磁材料磁化是指使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程。能被磁化的材料称为铁磁材料，除铁之外，钴、镍及它们的合金和氧化物都是铁磁材料。3.3汽车常用电磁器件一、变压器1、分类按相数分，可分为单相变压器和三相变压器；按照用途分，可分为电力变压器、仪用变压器、特种变压器、电子变压器。2、基本结构变压器由铁芯、绕组组成，其基本结构如图。

变压器的结构及图形符号3、变压器的工作原理（1）变压器空载运行：变压器空载运行是指一次绕组接电源而二次绕组开路的状态。（2）变压器有载运行：当变压器的二次绕组接入负载时，变压器为有载运行状态。变压器的一、二次绕组电压的有效值与一、二次绕组的线圈匝数成正比，k称为变压比。有载运行状态下，变压器的一、二次绕组电流的有效值与一、二次绕组的线圈匝数成反比。4．变压器的损耗与效率变压器在工作中存在着功率损耗，其