HEV系统的主要部件:功率元件解析

2011-01-20 20:30:03来源: 技术在线

功率元件是最重要的部件

  就功能和成本而言,功率元件在逆变器中是最为重要的部件。要想降低成本,如何使用小型元件是重点所在。

  元件的小型化需要降低元件产生的损耗。如图6所示,对于理想开关,无论有多少电流经过也不会产生损耗,而半导体开关一旦通入电流便会在通态电压的作用下产生通态损耗。

图6:理想开关与半导体开关
半导体开关一旦通入电流即产生损耗。

  而且,在开/关时不会瞬间完成切换,其产生的一段时间(开关时间)的延迟还会造成开关损耗。由图6可知,降低损耗有三个手段:①缩小电流;②降低通态电压;③缩短开关时间。下面来分别进行说明。

①缩小电流

  缩小功率元件电流使用的是升压电路。以普锐斯(Prius)为例,逆变器与主电池之间设置了升压电路,其作用是将电压提升至650V并向逆变器供电(图7)。由于马达的电流与电压成反比,因此,流经功率元件的电流也能够缩小。继续提高电压虽然能进一步缩小电流,但以绝缘为主的诸多问题会造成逆变器和马达等部件体积增加,因此,这一程度的电压对于车载用途较为适宜。

  图7:升压电路的结构
以“普锐斯”为例。

  这种方式的优点在于增加升压电路的成本远远小于缩小电流能够减少的成本。

  在升压电路中,打开下方的IGBT,电抗器开始储存能量,关闭IGBT后,电压上升。使其经上方的二极管储存于电容后,升压完成。再生时,驱动上方的IGBT与下方的二极管,向主电池通入电流。

②降低通态电压

  通态电压由开关元件的特性决定,因此需要选择最佳元件。如图8所示,当要求耐压为200V以下时,功率MOSFET(金属氧化膜半导体电场效果型晶体管)比IGBT更佳。但无论是哪种元件,耐压越高,通态电压也会增高,因此需要尽量选择低耐压元件。

③缩短开关时间

  降低开关损耗只需缩短开关时间即可。这可以借助栅电阻完成,电阻越小,时间越短。

  但是,鉴于电流变化率di/dt增加,浪涌电压ΔV随之增加,这就需要提高元件耐压。如此一来,好不容易缩小了开关损耗,通态损耗又会增加。

 

图8:IGBT与功率MOSFET的特性比较
芯片尺寸为5mm见方。最佳元件由要求耐压决定。

  如图9所示,由于浪涌电压由布线电感L产生,因此,怎样缩小电感是设计的重点。具体方式是尽可能把IGBT配置在电容附近,缩短布线长度并加宽布线。因为互感效应能够降低L,所以要采用使+-布线(实际为母线)尽可能接近等方法。

图9:浪涌电压的发生原理
浪涌电压由布线电感产生。

  

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关键字:功率元件  开关  IGBT  电容  电流

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0120/article_3097.html
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