現代電力電子器件與其應用第一頁，共95頁。現代電力電子技術與應用第二頁，共95頁。1.1 本課程內容■本課程主要學習內容：對電力電子學科和器件的發展歷程、特點和發展方向等問題有基本了解。對電力電子器件的概念、特點和分類等問題有較清晰的認知。對電力電子器件開關過程及軟開關技術有初步了解與認知。對電力電子電路中半導體器件和PCB寄生參數對電路特性的影響有基本印象。

第三頁，共95頁。電力電子技術是從電氣工程中3大學科領域（電力、控制、電子）發展起來的一門新型交叉學科。電力電子技術特點：弱電控制強電的交叉學科與技術；所涉及的學科廣泛，包括：基礎理論（固體物理、電磁學、電路理論）、專業理論（電力系統、電子學、傳熱學、系統與控制、電機學及電力傳動、通信理論、信號處理、微電子技術）以及專門技術（電磁測量、計算機仿真、CAD）等。傳送能量的模擬-數字-模擬轉換技術；多學科知識的綜合設計技術。1.2電力電子學科及器件簡介第四頁，共95頁。1.2電力電子學科及器件簡介當今世界電力能源的使用約占總能源的40%。而電能中有40%需要經過電力電子設備的變換才能被使用。IEEE給出電力電子技術的定義：Powerelectronicsisthetechnologyassociatedwiththeefficientconversion,controlandconditioningofelectricpowerbystaticmeansfromitsavailableinputformintothedesiredelectricaloutputform.簡單地說，電力電子技術就是以電子器件為開關，把能得到的電能變換為所需要的電源的一門科學應用技術，即電能變換技術。第五頁，共95頁。服務對象：電能的產生＼傳輸＼分配＼應用1.2電力電子學科及器件簡介服務于電能產生＼傳輸＼分配＼應用全過程；提高電力系統的可控性，實現電力系統高效、經濟、穩定、安全的運行。電力環境的治理電能質量:APF\DVR\UPQC穩定性:SVC\SVG（StaticVarCompensator/Generator）可控制性\輸送能力:HVDC\UPFC\TCSC第六頁，共95頁。電力電子技術的主要應用領域：電源設計中的電力電子技術；電機傳動中的電力電子技術；電力系統中的電力電子技術；汽車工業中的電力電子技術；綠色照明中的電力電子技術；

新能源開發中的電力電子技術；1.2電力電子學科及器件簡介第七頁，共95頁。電力電子技術的發展方向集成化模塊化智能化高頻化不斷提高裝置效率不斷拓展電壓、電流應用范圍1.2電力電子學科及器件簡介第八頁，共95頁。電力電子器件的定義電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。主電路：在電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。1.2電力電子學科及器件簡介第九頁，共95頁。電力電子器件的特征

◆所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數，一般都遠大于處理信息的電子器件。◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態。◆由信息電子電路來控制,而且需要專門的驅動電路。◆自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。1.2電力電子學科及器件簡介第十頁，共95頁。電力電子器件的作用■電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統。1.2電力電子學科及器件簡介第十一頁，共95頁。第2章典型功率器件的介紹2.1電力電子器件分類2.2傳統全控電力電子器件2.3寬禁帶電力電子器件第十二頁，共95頁。■電力電子器件分類：1）按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆不可控器件?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。

◆半控型器件

?主要是指晶閘管（SCR,Thyristor）及其大部分派生器件。?器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。◆全控型器件?目前最常用的是

IGBT和

MOSFET。

?通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。2.1電力電子器件分類第十三頁，共95頁。■電力電子器件分類：2）按照驅動信號性質分類

◆電流驅動型

?從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷。如SCR，BJT◆電壓驅動型

?在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可導通或者關斷。3）按照驅動波形來分（電力二極管除外）◆脈沖觸發型（半控器件SCR）◆電平控制型（全控器件MOSFET）2.1電力電子器件分類第十四頁，共95頁。■電力電子器件分類：4）按照載流子參與導電的情況◆單極型器件?由一種載流子參與導電。MOSFET◆雙極型器件

?由電子和空穴兩種載流子參與導電。BJT◆復合型器件?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。IGBT2.1電力電子器件分類第十五頁，共95頁。晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有的應用。IGCT是將GTO芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了IGBT的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點，在導通階段發揮晶閘管的性能，關斷階段呈現IGBT的特性。IGCT具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、低導通損耗等特點（相對于高壓、大功率器件而言）。2.2傳統全控電力電子器件門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十六頁，共95頁。結構：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。GTO的內部結構和電氣圖形符號

a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯單元結構斷面示意圖1.GTO的結構和工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理2.2傳統全控電力電子器件門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十七頁，共95頁。晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。1+2=1是器件臨界導通的條件。特點分析：普通晶閘管1+2≥1.15,導通飽和程度深,無法用門極負脈沖使其關斷;GTO導通時1+2≈1.05，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。多元集成結構，使得P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。2.2傳統全控電力電子器件1.GTO的結構和工作原理門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十八頁，共95頁。開通過程：與普通晶閘管相同關斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf尾部時間tt—殘存載流子復合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負脈沖電流幅值越大，ts越短;

tt階段保持適當負電壓,可以縮小尾部時間tt2.2傳統全控電力電子器件Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的開通和關斷過程電流波形2.GTO的驅動特性門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）第十九頁，共95頁。耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。小功率領域，僅在功放機、激光電源等高精度、快速放大電路中使用。2.2傳統全控電力電子器件電力三極管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）1.GTR的結構和工作原理第二十頁，共95頁。與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成。GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動

a)內部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內部載流子的流動2.2傳統全控電力電子器件1.GTR的結構和工作原理電力三極管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）第二十一頁，共95頁。大電流GTR的β

小，Ib過大為獲得較大β，可將兩晶體管組成復合管。β

為兩級之乘積，起到放大作用。Uces會有一定程度的增加。電阻：提供反向漏電流通路，提高復合管的溫度穩定性。二極管：加速Q1的關斷。達林頓結構1.GTR的結構和工作原理電力三極管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）2.2傳統全控電力電子器件第二十二頁，共95頁。開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法：增大ib的幅值并增大dib/dt。關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff

。加快關斷速度的辦法:一是減小飽和深度，最好是導通時工作在臨界飽和狀態，以減小儲存電荷；二是增大基極抽取電流ib2的幅值和負偏壓。GTR開關時間在幾微秒（us）內，比晶閘管和GTO短，可用于工作頻率較高的場合。2.2傳統全控電力電子器件ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開通和關斷過程電流波形2.GTR的驅動特效功率晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）第二十三頁，共95頁。2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）1.場效應晶體管分類Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor：MOSFET第二十四頁，共95頁。耗盡型外加PN結反向電壓控制場效應晶體管柵－源之間PN結耗盡層寬度變化來控制溝道電導，稱之為結型。2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）2.結型場效應晶體管第二十五頁，共95頁。耗盡型P溝道符號耗盡型N溝道符號耗盡型由于柵極G與其余兩個電極之間是絕緣的，外加柵、源級之間的電場控制半導體中感應電荷量的變化控制溝道電導，因此稱之為絕緣柵型。2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）3.絕緣柵型場效應晶體管第二十六頁，共95頁。反型層耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道，稱之為耗盡型。柵極電壓大于零時才存在導電溝道，稱之為增強型。按導電溝道可分為P溝道和N溝道。功率MOSFET主要是：增強型絕緣柵N溝道場效應晶體管增強型EGSEDS2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）3.絕緣柵型場效應晶體管第二十七頁，共95頁。目前流行的結構:具有垂直導電雙擴散MOS結構的N溝道增強型MOSFET2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）3.絕緣柵型場效應晶體管第二十八頁，共95頁。MOSFET的工況可用其轉移特性和輸出特性表述：Ⅰ：可變電阻區Ⅱ：飽和區（恒流區，等效于晶體管的放大區）Ⅲ：擊穿區Ⅳ：截止區MOSFET特性曲線IDVGSVGSth(a)轉移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(b)輸出特性ⅠⅡⅢVBRⅣ通態時，MOSFET可等效為具有正溫度系數的電阻！2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）3.絕緣柵型場效應晶體管第二十九頁，共95頁。MOSFET高頻簡化等效電路模型2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）3.絕緣柵型場效應晶體管第三十頁，共95頁。①開關速度：②通態等效電阻：③通態管壓降：④不易制成高壓器件：20ns~200ns正溫度系數比晶閘管、晶體管要高≤1200VMOSFET使用注意事項①防止靜電②防止柵極懸空③散熱2.2傳統全控電力電子器件金屬-氧化層半導體場效晶體管（MOSFET）3.絕緣柵型場效應晶體管第三十一頁，共95頁。IGBT物理結構示意圖2.2傳統全控電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）1.IGBT結構第三十二頁，共95頁。IGBT:InsulatedGateBipolarTransistorMOSFET物理結構IGBT物理結構2.2傳統全控電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）1.IGBT結構第三十三頁，共95頁。IGBT理想等效電路IGBT符號晶體管基區內的調制電阻IGBT物理結構示意圖2.2傳統全控電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）2.IGBT理想等效電路和符號第三十四頁，共95頁。IGBT簡化等效電路IGBT物理結構示意圖2.2傳統全控電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）3.IGBT簡化等效電路第三十五頁，共95頁。2.產生原因IGBT完整等效電路IGBT簡化等效電路1.擎住效應概念3.解決方法確保集電極電流IC不超過最大允許值ICM減小關斷時的集-射極電壓變化率。Rbr壓降過高36/592.2傳統全控電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）4.IGBT擎住效應第三十六頁，共95頁。b）IGBT轉移特性c）IGBT輸出特性Q2：MOSFET或IGBT能否像三極管一樣工作在放大狀態？a)IGBT符號Ⅱ飽和區Ⅲ有源區2.2傳統全控電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）5.IGBT轉移、輸出特性第三十七頁，共95頁。開關控制開關速度通態壓降安全區域反向耐壓驅動電路其他輸入阻抗高，驅動功率小速度介于MOSFET和BJT之間低于MOSFETSOA較BJT大非常低，約幾十伏有擎住效應和電流拖尾3.3KV-4.5KV/1200-1800A器件已開始實用，而且還還有較大提升空間2.2傳統全控電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）6.IGBT主要特點第三十八頁，共95頁。向大功率、高頻、高效化方向發展人們寄希望于寬禁帶半導體功率器件來解決第一代、第二代功率器件的輸出功率低、效率較低和工作頻率有限等方面的問題第一代半導體功率器件以Si雙極型(BJT)功率晶體管為代表第二代半導體功率器件以Si場效應晶體管和IGBT為代表第三代半導體功率器件以SiC場效應功率晶體管和GaN高電子遷移功率晶體管為代表半導體功率器件的發展歷程：2.3寬禁帶電力電子器件第三十九頁，共95頁。SiC和GaN由于獨特晶體結構,其禁帶寬度達到2.2eV(3C-SiC)，3.3eV(4H-SiC)和3.4eV(GaN)，遠高于GaAs(1.4eV)和Si(1.1eV)

:工作溫度高，理論結溫可達600℃，器件的冷卻系統可大為簡化。熱導率高,SiC達4.9W/cm℃,(Si為1.4)；SiC熱導率遠遠高于大多數半導體，室溫時幾乎高于所有金屬。電子飽和漂移速度高，達2x107cm/s(SiC)和2.5x107cm/s(GaN)，適于高頻工作。開關損耗低1～2個數量級。擊穿電場高達2x106V/cm(4H-SiC)

和3.3x106V/cm(GaN)為Si的8倍和10倍，能夠實現高工作電壓。抗輻照能力比GaAs和Si強1-2個數量級。2.5 SIC等寬禁帶半導體器件簡介2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件第四十頁，共95頁。 >2xReductioninPriceofSiCDiodeHigherQualityWafersLargerProductionVolumesIncreaseWaferSizeQ3-FY0811.3Mega-AmpsShipped650V

2A,50A1200V

2A,50AJBS=JunctionBarrierSchottke2.5 SIC等寬禁帶半導體器件簡介寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件1.SiC結勢壘肖特基二極管發展現狀2.3寬禁帶電力電子器件第四十一頁，共95頁。NotpossiblewithSitechnologyat600Vrating……thereforeSiCSchottkydiodeconceptrequired!2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件1.SiC結勢壘肖特基二極管發展現狀第四十二頁，共95頁。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等寬禁帶半導體器件簡介2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件2.SiCMOSFET發展現狀第四十三頁，共95頁。2.5 SIC等寬禁帶半導體器件簡介2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件2.SiCMOSFET發展現狀第四十四頁，共95頁。2.5 SIC等寬禁帶半導體器件簡介2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件2.SiCMOSFET發展現狀BrettHull,CREE,SiCPowerTutorial,IEEEWiPDA2013第四十五頁，共95頁。Theon-resistance(RDS(ON))foragivendeviceareaisakeydeterminantofproductcost.EPC’sproductshavethesameon-resistanceandaresignificantlysmallerthanthebestsiliconpartsavailable.SmallerDieSizes200VGaNDevice(25milliOhms)200VSiliconDevice(30milliOhms)2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件3.GaNMOSFET發展現狀第四十六頁，共95頁。2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件GaNMOSFET與SiMOSFET的品質因數（FOM）對比3.GaNMOSFET發展現狀第四十七頁，共95頁。12V-1V24V-1V48V-1V250kHzReductionoflightloadefficiencyandhighconversionvoltageefficiencyismostlyduetothelimitationsofthecommercialdriverIC2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件GaNMOSFET同步Buck應用時的效率曲線3.GaNMOSFET發展現狀第四十八頁，共95頁。ServerpowersuppliesusingEPC’sGaNtransistorshavepowerlossesthatareover50%lessthantheclosestsiliconsolution.LowestPowerLosses2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件GaNMOSFET同步Buck應用時的效率曲線3.GaNMOSFET發展現狀12V-1V5A600kHzconversion第四十九頁，共95頁。Highfrequency,highvoltageratioPoLcriticalities:Theymustoperateatlowdutycycle(highvoltageratio);Theswitchingperiodisshortandoperationsareachievableonlywithfastswitchingcommutations;GaNdeviceshavethepotentialtoswitchON-OFFintheMHzrange(relatedtothedrivingcapabilityandtheassemblytechniques)NationalSemiconductor180W1/8thBrick,FullyRegulatedConverter2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件3.GaNMOSFET發展現狀第五十頁，共95頁。2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件GaNTestResults@VDC=50V,ID=3A(EPC1010)開通過程關斷過程113.GaNMOSFET發展現狀第五十一頁，共95頁。2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件SiCTestResults@VDC=600V,ID=12A(CreeCMF20120D)開通過程關斷過程4.GaN與SiCMOSFET對比第五十二頁，共95頁。2.3寬禁帶電力電子器件寬禁帶SiC和GaN半導體電力電子器件4.GaN與SiCMOSFET對比SiC二極管和MOSFET：高頻（幾百K）、大功率應用，如電動車、可再生能源發電等；溝道型SiCMOSFET的開發在2013年大幅加速。以前推出的SiCMOSFET只有平面型，尚未推出溝道型；GaNMOSFET：超高頻（幾十M）、中小功率應用，如無線功率傳輸，負載端直流變換器等；模塊化、集成化將是SiC和GaN功率器件的發展方向，SiC和GaN器件的功率、電壓等級將持續增加，工作頻率將進一步提升；SiC投入研發的廠家非常多，主要集中在美國和日本：CREE，ROHM，三菱，富士，LG，三星等；GaN實現產品化的目前主要是EPC；第五十三頁，共95頁。第3章功率器件與軟開關技術3.1軟開關技術簡介3.2軟開關技術的分類3.3軟開關技術的典型應用第五十四頁，共95頁。?電力電子器件的基本開關過程對于任何一個電力電子單元來說，它的基本運行原理不外乎以下兩種：第一，在交換能量的網絡之間，開通與關斷過程依次由一個開關來實現——稱為“單開關的循環開關過程”；第二，有兩個（或者兩個以上）開關交替開通與關斷，同時它們交互接替電流以及電壓——稱為“換流過程”（有時亦作換相過程）。3.1 軟開關技術簡介電力電子功率器件的開通、關斷過程第五十五頁，共95頁。在一個含有電感元件的回路中，開關可以主動地開通。也就是說，它能夠在任意時刻開通。當初始電流和開通時間趨近于零時，開關中不出現損耗，原因是回路電感能夠立即吸收所出現的電壓差。主動開通時，將要接續電流的開關兩端具有正向電壓。當開關被觸發開通后，該電壓降低，且開關電流的上升過程由半導體器件的開通機制所決定。3.1 軟開關技術簡介電力電子功率器件的開通、關斷過程1.電力電子器件的基本開關過程——主動開通第五十六頁，共95頁。由于開關上外加電壓的作用，無損耗的開通過程僅在us=0時才可以實現。而且其開通時刻電壓的運行曲線及其過零時刻均由外部電路所決定，故該過程被稱為被動開通。一個在us=0時刻開通的開關被稱為零電壓開關（ZVS=ZeroVoltageSwitch）。一個被動開通的半導體器件在開通前具有反向壓降或者0壓降。如果在外電路的作用下，該電壓變為正值，器件將承受正向電流。若該電壓上升速度過快，則易引起開通過電壓。3.1 軟開關技術簡介電力電子功率器件的開通、關斷過程2.電力電子器件的基本開關過程——被動開通第五十七頁，共95頁。處于導通狀態下的半導體器件在主動關斷時，當驅動信號撤消后，器件的電壓會正向上升。然后，由一個有效的并聯電容接續器件的電流，電流上升斜率由器件的關斷機制決定。對于給定的半導體器件，關斷損耗隨電容值的增加而降低。3.1 軟開關技術簡介電力電子功率器件的開通、關斷過程3.電力電子器件的基本開關過程——主動關斷第五十八頁，共95頁。當回路中有電流是，由于電感中儲存的能量必須被釋放，所以不可能實現無能量轉換的關斷過程。由于關斷時刻是由控制電路所決定的，因此該過程被稱為被動關斷。一個在is=0時刻關斷的開關被稱為零電流開關（ZCS=ZeroCurrentSwitch）。一個具有正向電流的半導體器件在被動關斷時，電流在外部電壓的作用下先是降至零。此時，半導體中儲存的載流子使得電流向相反的方向流動，直至半導體器件重新獲得截止能力，并開始承受回路的反向電壓為止（反向恢復電流）。3.1 軟開關技術簡介電力電子功率器件的開通、關斷過程4.電力電子器件的基本開關過程——被動關斷第五十九頁，共95頁。零電壓開通（零電壓開關ZVS）開關開通前其兩端電壓為零——開通時不會產生損耗和噪聲。零電流關斷（零電流開關ZCS）開關關斷前其電流為零——關斷時不會產生損耗和噪聲。很多時候，僅稱為零電壓開關或零電流開關。且大多靠電路中的諧振來實現。零電壓關斷（基本不用）與開關并聯的電容能延緩開關關斷后電壓上升的速率。零電流開通（基本不用）與開關串聯的電感能延緩開關開通后電流上升的速率。可能會造成總損耗增加、關斷過電壓等負面影響。3.2 軟開關電路的分類1.ZVS、ZCS、ZVZCS軟開關電路分類第六十頁，共95頁。根據開關元件開通和關斷時電壓、電流的狀態，分為零電壓電路和零電流電路兩大類。根據軟開關技術發展的歷程可以將軟開關電路分成：準諧振電路：諧振電壓、電流峰值較高；PFM控制導致其他問題。零開關PWM電路：引入輔助開關管控制諧振的開始時刻，增加電路復雜度和成本。零轉換PWM電路：引入與主開關管并聯的輔助開關諧振電路控制諧振開始時刻，輸入電壓和負載變化對電路諧振過程的影響較小。3.2 軟開關電路的分類軟開關電路分類2.準諧振、零開關和零轉換型軟開關第六十一頁，共95頁。移相全橋電路是目前應用最廣泛的軟開關電路之一，它的特點是電路簡單。同硬開關全橋電路相比，僅增加了一個諧振電感，就使四個開關均為零電壓開通。3.3 軟開關技術的典型應用移相全橋零電壓開關PWM電路移相全橋型零電壓PWM電路1.電路結構第六十二頁，共95頁。移相全橋ZVS變換器利用變壓器的漏感或原邊串聯電感和功率管的寄生電容或外接電容來實現開關管的零電壓開關。3.3 軟開關技術的典型應用硬開關及ZVS軟開關過程示意圖移相全橋型零電壓PWM電路1.電路結構第六十三頁，共95頁。移相全橋電路的理想化波形移相全橋ZVS變換器的一個開關周期可分為12個工作模態（t0~t12），其理論工作波形見右圖。由于全橋變換器拓撲的對稱性，其前后半周呈反相位對稱，故只須對變換器的前6個工作模態進行分析。3.3 軟開關技術的典型應用移相全橋型零電壓PWM電路2.工作過程第六十四頁，共95頁。互為對角的兩對開關S1-S4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2時間，而S2的波形比S3超前0~TS/2時間，因此稱S1和S2為超前的橋臂，而稱S3和S4為滯后的橋臂。3.3 軟開關技術的典型應用移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形移相全橋型零電壓PWM電路2.工作過程第六十五頁，共95頁。S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形移相全橋電路在t1~t2階段的等效電路t0~t1時段：S1與S4導通，直到t1時刻S1關斷。t1~t2時段：t1時刻開關S1關斷后，電容Cs1、Cs2與電感Lr、L構成諧振回路，

uA不斷下降，直到uA=0，VDS2導通，電流iLr通過VDS2續流。t2~t3時段：t2時刻開關S2開通，由于此時其反并聯二極管VDS2正處于導通狀態，因此S2為零電壓開通。3.3 軟開關技術的典型應用移相全橋型零電壓PWM電路2.工作過程第六十六頁，共95頁。t3~t4時段：t3時刻開關S4關斷后，變壓器二次側VD1和VD2同時導通，變壓器一次側和二次側電壓均為零，相當于短路，因此Cs3、Cs4與Lr構成諧振回路。Lr的電流不斷減小，B點電壓不斷上升，直到S3的反并聯二極管VDS3導通。這種狀態維持到t4時刻S3開通。因此S3為零電壓開通。3.3 軟開關技術的典型應用移相全橋電路在t3~t4階段的等效電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形移相全橋型零電壓PWM電路2.工作過程第六十七頁，共95頁。t4~t5時段：S3開通后，Lr的電流繼續減小。iLr下降到零后反向增大，t5時刻iLr=IL/kT，變壓器二次側VD1的電流下降到零而關斷，電流IL全部轉移到VD2中。t0~t5是開關周期的一半，另一半工作過程完全對稱。3.3 軟開關技術的典型應用移相全橋零電壓開關PWM電路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO移相全橋電路的理想化波形移相全橋型零電壓PWM電路2.工作過程第六十八頁，共95頁。LLC是一種通過控制開關頻率來來實現輸出電壓恒定的諧振電路,它的優點是:實現原邊兩個主MOS開關的零電壓開通(ZVS)和副邊整流二極管的零電流關斷(ZCS)。缺點：變壓器漏感一致性較難控制，輸出電壓不能過低（>=12V）。3.3 軟開關技術的典型應用LLC諧振電路原理圖

LLC諧振軟開關電路1.電路結構及工作過程第六十九頁，共95頁。3.3 軟開關技術的典型應用

LLC諧振軟開關電路2.典型應用第七十頁，共95頁。半橋型串聯諧振逆變器主電路原理圖輸出頻率50kHz~1MHz；輸出電壓、電流近似正弦波；輸出功率70W~5kW；輸入功率因數高于0.99；輸入電流THD小于10%；整機效率92%~96%。

LCC諧振軟開關電路1.工作原理及典型應用3.3 軟開關技術的典型應用第七十一頁，共95頁。第4章功率器件的應用4.1PCB及功率器件寄生參數對電路的影響4.2米勒電容對功率器件特性的影響4.3功率MOSFET及其驅動電路4.4功率IGBT及其驅動電路4.5電力電子電路特點及其負面影響第七十二頁，共95頁。?以單開關Boost變換器為例：綠色：輸入電流；紅色：驅動電壓×5；黃色：輸出電流；藍色：中點電壓/20。4.1PCB及功率器件寄生參數對電路的影響理想波形不考慮寄生參數的仿真波形第七十三頁，共95頁。?實際工作波形有可能如下圖所示：開關管電壓及Boost電感電流波形

開關管電壓及輸出至電解電容的電流波形4.1PCB及功率器件寄生參數對電路的影響實驗測試波形第七十四頁，共95頁。?真實的電路模型近似（較難得到確切模型）如下圖所示：輸入電容C6至Boost電感L1之間的等效引線電感L3，類似的有L2，L4，L5，L6。Boost電感L1的等效寄生電容C2，類似的有C3，C4；電解電容等效串聯電阻R4和R5。4.1PCB及功率器件寄生參數對電路的影響理論與實際的差距第七十五頁，共95頁。?真實的電路模型近似如下圖所示：開關管電壓及Boost電感電流波形

開關管電壓及輸出至電解電容的電流波形4.1PCB及功率器件寄生參數對電路的影響考慮寄生參數的仿真波形第七十六頁，共95頁。?減少L4，可明顯地降低開關管導通時的電壓過沖和電流振鈴；

減小C4，可以明顯地減小開關管關斷電流振鈴。減小L6，可以有效降低輸出電流振蕩，?良好的PCB布局和器件選型，可以保證在較高的di/dt和dv/dt下，能極少甚至沒有振蕩，脈沖能量能夠快速、低振蕩地傳遞，從而減小對控制電路的干擾和EMI輻射。4.1PCB及功率器件寄生參數對電路的影響結論第七十七頁，共95頁。?另外一個影響電路工作的因素是PCB接地問題。需要注意4點：功率回路的地在提供能量的電容處匯合，且環路面積最小；輔助電源的地跟主功率回路的地直接連接；控制芯片周邊器件的地在芯片地點匯合，盡量粗而短；驅動電路與主電路的地在被驅動的開關管公共端匯合，且線不易太粗。4.1PCB及功率器件寄生參數對電路的影響關于接地問題一點接地并不總是可行！接地點選擇主要考慮能量的來源和路徑！信號出與回的路徑與面積非常重要！減小地線阻抗往往比一點接地重要！第七十八頁，共95頁。4.2米勒電容對功率器件特性的影響

MOSFET開通過程AOT460的開通軌跡開通前，MOSFET起始工作點位于如圖的右下角A點，AOT460的VDD電壓為48V，Vgs的電壓逐漸升高，Id電流為0，Vgs的電壓到VGS(th)，Id電流從0開始逐漸增大。A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過程。從A到B點的過程中，可以在非常直觀的發現，此過程工作于MOSFET的恒流區，也就是Vgs電壓和Id電流自動找平衡的過程，即：Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應的變化，其變化關系就是MOSFET的跨導：跨導可以在MOSFET數據表中查到。當Id電流達到負載的最大允許電流ID時，此時對應的柵級電壓1111111111111。由于此時Id電流恒定，因此柵極Vgs電壓也恒定不變，見圖中的B-C，此時MOSFET處于相對穩定的恒流區，工作于放大器的狀態。開通前，Vgd的電壓為Vgs-Vds，為負壓，進入米勒平臺，Vgd的負電壓絕對值不斷下降，過0后轉為正電壓。驅動電路的電流絕大部分流過CGD，以掃除米勒電容的電荷，因此柵極的電壓基本維持不變。Vds電壓降低到很低的值后，米勒電容的電荷基本上被掃除，即圖中的C點，于是，柵極的電壓在驅動電流的充電下又開始升高，見圖中的C-D，使MOSFET進一步完全導通。C-D為可變電阻區，相應的Vgs電壓對應著一定的Vds電壓。Vgs電壓達到最大值，Vds電壓達到最小值，由于Id電流為ID恒定，因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導通電阻的乘積。第七十九頁，共95頁。4.2米勒電容對功率器件特性的影響米勒電容效應的消除或利用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消除米勒效應的最簡單有效的方法是：零電壓軟開關應用，ZVS開通，此時VDS=0，不存在米勒效應。第八十頁，共95頁。ActiveGateControl[5]suggestedanactive,independentdv/dtanddi/dtcontroltechniquesbymeansoffeedback(Millereffect)dv/dtcontrol:AddMillercapacitanceconnectinggateandcollectorAtgatenode,adependentcurrentsourcewhosecurrentisproportionaltocapacitorcurrentNetcurrentatgatenodeisIm(1-A).ByadjustingA,canchangethetotalcapacitanceacrossgateandcollector,andthuschangingdv/dt4.2米勒電容對功率器件特性的影響米勒電容效應的消除或利用第八十一頁，共95頁。dv/dtcontrol:ControlcircuitsactivatesonlywhendrainvoltageischangingControlactionbeginsassoonascollectorvoltageswitchingtransientbeginsAdjustmentsofdv/dtiseasytoaccomplishInthesamplecircuit,AisalinearfunctionofVc

4.2米勒電容對功率器件特性的影響ActiveGateControl米勒電容效應的消除或利用第八十二頁，共95頁。ExperimentalResults:Forbothturn-onandturn-offdv/dtcontrolcircuitswitha1.5nFexternalMillarcapacitor,dv/dtvariesoverarangeexceeding3:1Vdc=600VVCC=16VIC=20AVEE=-5VLLoad=1mHRg=40Operatingconditions:4.2米勒電容對功率器件特性的影響ActiveGateControl米勒電容效應的消除或利用第八十三頁，共95頁。功率MOSFET的典型隔離驅動電路?電路工作過程：原邊VT1，VT2構成的推挽式放大電路。脈沖輸出高電平時，VT1導通，提供MOS管驅動功率；低電平時，VT2導通，電容上的儲能提供反向脈沖。變壓器副邊輸出的兩路波形經調理電路后變成互補的脈沖信號，從而驅動MOSFET。4.3功率MOSFET及其驅動電路功率MOSFET典型驅動電路1.隔離型雙路橋臂驅動電路第八十四頁，共95頁。功率MOSFET的自舉驅動電路?電路工作過程：首先下管MOSFET導通，驅動電源VDD通過二極管Db對自舉電容Cb充電，待下管關斷后，上管MOSFET需要開通時，自舉電容上的電壓被抬高至中點電壓+VDD，因此上管MOSFET將獲得VDD的驅動電壓，從而可靠導通。CbDb4.3功率MOSFET及其驅動電路功率MOSFET典型驅動電路2.自舉電容型雙路橋臂驅動電路第八十五頁，共95頁。防止誤導通：禁止MOSFET驅動端懸空；適當增大柵極驅動電阻；縮短驅動器與功率MOSFET的走線距離；減小驅動回路面積。防止過流損壞：增加硬件過流保護電路；器件選型時考慮MOSFET在最高工作溫度、最大峰值電流下的安全區域要求；并聯使用時驅動電路要調整，以保證驅動電壓波形一致。防止過壓損壞：在DS端增加緩沖電路；器件選型時留足電壓裕量；在MOSFET能量輸入端口增加高頻去耦電容。4.3功率MOSFET及其驅動電路功率MOSFET典型驅動電路3.功率MOSFET使用時需注意的問題第八十六頁，共95頁。?絕緣柵雙極型晶體管:IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）。它是由MOSFET（輸入級）和PNP晶體管（輸出級）復合而成的一種器件；?既有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的特點（控制和響應），又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點（功率級較為耐用），頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內。?由于T2和Rd的存在，可能會出現擎住效應。即T2和T3同時導通，使得門極失去控制作用而導致器件損壞。?因此IGBT的驅動電路相對復雜。4.4功率IGBT及其驅動電路功率IGBT及其典型驅動電路1.功率IGBT特性分析IGBT等效電路第八十七頁，共95頁。IGBT典型驅動電路采用光耦合器作為信號隔離，因此能用于交流380V的動力設備上。IGBT通常只能承受10us的短路電流，如果發生過電流，驅動器的低速切斷電路就慢速關斷IGBT，從而保證IGBT不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電極產生的電壓尖脈沖足以破壞IGBT。

IGBT在開關過程中需要一個+15V電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個-5V關柵電壓以防止關斷時的誤動作。這兩種電壓（＋15V和-5V）均可由20v供電的驅動器內部