《電子技術(shù)應(yīng)用》
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HEV系統(tǒng)的主要部件:功率元件解析
摘要: 就功能和成本而言,功率元件在逆變器中是最為重要的部件。要想降低成本,如何使用小型元件是重點所在。
Abstract:
Key words :

功率元件是最重要的部件


  就功能和成本而言,功率元件在逆變器中是最為重要的部件。要想降低成本,如何使用小型元件是重點所在。

  元件的小型化需要降低元件產(chǎn)生的損耗。如圖6所示,對于理想開關(guān),無論有多少電流經(jīng)過也不會產(chǎn)生損耗,而半導(dǎo)體開關(guān)一旦通入電流便會在通態(tài)電壓的作用下產(chǎn)生通態(tài)損耗。

圖6:理想開關(guān)與半導(dǎo)體開關(guān)
半導(dǎo)體開關(guān)一旦通入電流即產(chǎn)生損耗。

  而且,在開/關(guān)時不會瞬間完成切換,其產(chǎn)生的一段時間(開關(guān)時間)的延遲還會造成開關(guān)損耗。由圖6可知,降低損耗有三個手段:①縮小電流;②降低通態(tài)電壓;③縮短開關(guān)時間。下面來分別進行說明。

①縮小電流

  縮小功率元件電流使用的是升壓電路。以普銳斯(Prius)為例,逆變器與主電池之間設(shè)置了升壓電路,其作用是將電壓提升至650V并向逆變器供電(圖7)。由于馬達的電流與電壓成反比,因此,流經(jīng)功率元件的電流也能夠縮小。繼續(xù)提高電壓雖然能進一步縮小電流,但以絕緣為主的諸多問題會造成逆變器和馬達等部件體積增加,因此,這一程度的電壓對于車載用途較為適宜。
 

  圖7:升壓電路的結(jié)構(gòu)
以“普銳斯”為例。

  這種方式的優(yōu)點在于增加升壓電路的成本遠遠小于縮小電流能夠減少的成本。

  在升壓電路中,打開下方的IGBT,電抗器開始儲存能量,關(guān)閉IGBT后,電壓上升。使其經(jīng)上方的二極管儲存于電容后,升壓完成。再生時,驅(qū)動上方的IGBT與下方的二極管,向主電池通入電流。

②降低通態(tài)電壓

  通態(tài)電壓由開關(guān)元件的特性決定,因此需要選擇最佳元件。如圖8所示,當要求耐壓為200V以下時,功率MOSFET(金屬氧化膜半導(dǎo)體電場效果型晶體管)比IGBT更佳。但無論是哪種元件,耐壓越高,通態(tài)電壓也會增高,因此需要盡量選擇低耐壓元件。

③縮短開關(guān)時間

  降低開關(guān)損耗只需縮短開關(guān)時間即可。這可以借助柵電阻完成,電阻越小,時間越短。

  但是,鑒于電流變化率di/dt增加,浪涌電壓ΔV隨之增加,這就需要提高元件耐壓。如此一來,好不容易縮小了開關(guān)損耗,通態(tài)損耗又會增加。

 

圖8:IGBT與功率MOSFET的特性比較
芯片尺寸為5mm見方。最佳元件由要求耐壓決定。

  如圖9所示,由于浪涌電壓由布線電感L產(chǎn)生,因此,怎樣縮小電感是設(shè)計的重點。具體方式是盡可能把IGBT配置在電容附近,縮短布線長度并加寬布線。因為互感效應(yīng)能夠降低L,所以要采用使+-布線(實際為母線)盡可能接近等方法。

圖9:浪涌電壓的發(fā)生原理
浪涌電壓由布線電感產(chǎn)生。

  

關(guān)鍵字:功率元件 開關(guān) IGBT 電容 電流

 

  功率元件的小型化除了能夠降低損耗外,還能夠改善散熱性能,降低溫度。圖10給出了功率元件的安裝結(jié)構(gòu)和散熱路徑。冷卻一般為水冷方式,容量較小的元件有時也采用空冷方式。元件的溫度上升ΔT是元件損耗P與熱電阻R(散熱性能的倒數(shù))之積,由于R縮小的倍數(shù)即為損耗允許增加的倍數(shù),因此可以使用小型元件。

利用電容穩(wěn)定電流

  如圖11所示,電容的作用是穩(wěn)定主電池的電流。如果沒有電容,由于IGBT做開/關(guān)動作,電流會呈現(xiàn)脈沖狀變化。當電流關(guān)時,外部布線電感會產(chǎn)生過大的浪涌電壓,瞬間擊穿IGBT。

  而使用電容可以平穩(wěn)縮小電流,抑制浪涌電壓。另外,當電流呈現(xiàn)脈沖狀時,從主電池到逆變器的布線會發(fā)射出頻率成分復(fù)雜的噪音,干擾廣播等無線信號。穩(wěn)定電流對此也有抑制作用。

控制電路為雙系統(tǒng)構(gòu)成

圖10:功率元件的安裝結(jié)構(gòu)與散熱路徑
一般的水冷方式。

圖11:電容的作用
電容的作用是穩(wěn)定主電池的電流。

  圖12:控制電路的結(jié)構(gòu)
由高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)雙系統(tǒng)構(gòu)成。

  控制電路為高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)構(gòu)成,高壓系統(tǒng)由驅(qū)動IGBT的驅(qū)動電路和保護IGBT的保護電路組成(圖12)。出于安全考慮,低壓系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)安全利用光耦合器和變壓器進行了電絕緣。MG·ECU通過向量控制形成驅(qū)動信號。保護電路的作用通常是檢測IGBT的過電流、短路、過熱、驅(qū)動電壓的下降,在出現(xiàn)異常時斷開IGBT。

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