新能源汽车功率电子基础

前 言

 　　当前，汽车的能源供给体系正处于转变过程，传统燃油汽车正向适应人类可持续发展的新能源汽车过渡。这一转变的技术基础是车载电气化技术的迅猛发展。即使在传统汽车上，比如LED车灯和电动助力转向等已经得到普遍应用，电动水泵、电动空调和起停系统等正在推广应用中，汽车的低压直流电源系统也在趋向统一的DC48V电压体制。区别于传统汽车，新能源汽车能够以纯电动方式行驶。此功能的实现离不开车载驱动电机及其控制系统，由车载动力蓄电池组供给高电压直流电源。
 　　在一个与路面相对封闭而运动的汽车系统中，无论是几十瓦的车灯，还是上百千瓦的驱动电机及其控制器，这些电气系统的功率远大于信息与控制的电子系统。在各自不同的直流母线电压作用下，车载电气系统的电流较大，从几安培到几百安培。相应地，车载电气系统的功率半导体器件承载大电流，快速通断，系统的发热量、电磁干扰和电应力大幅增加，使车载电源系统的载荷十分复杂，给汽车的安全性、可靠性和耐久性带来了新的高度，形成了汽车设计、开发和制造技术的新课题。各个电气系统，比如电机及其控制器的逆变装置、高低压DC/DC变换器的直流转换装置、动力蓄电池组的车载充电装置等，它们的电路拓扑及其控制方法对新能源汽车的动力性、经济性和舒适性起到了关键的作用。
 　　本书以新能源汽车的动力系统结构为切入点，指出功率电子电路的逆变（DC/AC）、直流?直流变换（DC/DC）、整流（AC/DC）三大技术与新能源汽车节能减排的密切关系，集中梳理功率电子学的一些基本概念，介绍包括宽禁带器件在内的功率电子半导体器件的应用特性，阐述以化学电池为直流电源的DC/DC、DC/AC和AC/DC电路的组成、结构、原理，以及车载应用。本书的分章节内容如下：
 　　第1章 介绍汽车电子化和电气化的发展进程，描述新能源汽车的动力系统结构，阐述功率电子学的作用和地位，及其研究内容。
 　　第2章 基本概念。阐述功率电路的常用波形、半导体基础、开关过程、续流、换流、硬开关、软开关、脉宽调制、直流开关、电路的平均状态和热阻抗，将功率电子学的常用概念和基本方法集中介绍，提高学习的通顺性。
 　　第3章 器件的工作原理。阐述功率半导体器件的基本原理、工作特性和应用技术，器件包括功率二极管、双极结型功率晶体管、晶闸管、功率金属氧化物场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管和宽禁带器件。
 　　第4章 直流变换技术。阐述DC/DC降压、升压和升降压电路，它们是新能源汽车中两个高电压母线之间的电能转换的技术基础。同时详细描述了隔离DC/DC和同步整流技术的电路原理。并且，以举例或结构图方式指明DC/DC变换器在新能源汽车中的车载应用。
 　　第5章 逆变技术。阐述了单相和三相电压源逆变器的电路工作原理，以及SVPWM产生方法，它是目前流行的交流电机控制器技术的电路及控制基础。
 　　第6章 整流技术。阐述不控整流电路、直流滤波电路、相控整流电路和PWM整流电路，并且简要叙述了车载动力蓄电池组的充电设施和方法。
 　　第7章 针对新能源汽车的纯电驱动功能，介绍了纯电驱动交流电动机控制系统结构，总结了纯电动汽车对驱动电机及其控制器的机械特性要求，叙述了交流电动机的工作原理和数学模型，阐述了交流电动机的矢量控制方法和直接转矩控制方法。并且，通过仿真模型及其结果说明交流电动机的变频变压控制和矢量控制系统。
 　　现有的电力电子学或电力电子技术书籍较多，涉及范围广泛，但对汽车的直流电源系统和电驱动系统几乎没有阐述。电力系统习惯指工业电网的电子电气系统，以区别于“电力电子”，本书将阐述与汽车技术相关的“电力电子”，研究车载电源之间电能变换的功率半导体器件、电路拓扑、控制理论与方法。
 　　本书面向从事新能源汽车（特别是电动汽车）技术学习的学生和工程技术人员，着重描述了功率电子学在新能源汽车电源系统中的应用，尤其是电动汽车的驱动电机及其控制器、DC/DC变换器和车载充电机技术的功能组成、电路拓扑和工作原理；力图用图、表和仿真模型帮助读者理解功率电子学的基本概念、电路拓扑及其工作原理，采用PSIM软件仿真功率电子电路波形；集中阐述功率电子学发展中形成的一些基本概念，这些概念往往包含了专业词汇，希望能够帮助初学者进一步理解专业文献。
 　　在本书完稿之际，对书末所附参考文献的作者等致以衷心的感谢！书中的引用不周之处，恳请同行学者海涵，帮助作者提出改正意见。由于作者学识有限，书中难免有疏漏和错误，殷切希望研读本书的读者批评指正和谅解。
 　　　 程夕明　张承宁　　2017年11月30日于北京理工大学

《新能源汽车功率电子基础》以新能源汽车电驱动、DC/DC变换器和充电机为技术背景，从功率电子电路的基本概念、结构拓扑和工作原理角度出发，阐述车载电气设备的电能转换技术；利用计算示例和仿真案例，描述整流、直流转换和逆变控制的基本实现方法。本书内容涵盖新能源汽车技术的发展、功率半导体器件、DC/DC直流变换技术、DC/AC逆变技术、AC/DC整流技术和交流电机控制技术，涉及理想开关过程、PWM整流技术、隔离型DC/DC、SVPWM技术、矢量控制和直接转矩控制技术。本书适合作为普通高等院校车辆工程、新能源汽车等专业的教材，也可供相关研发人员参考。

自1995年以来，一直从事新能源汽车技术的研究、开发与教学工作，目前为北京理工大学副教授，在机械与车辆学院从事新能源汽车方向的教学研究工作，讲解“汽车功率电子基础”本科生课程和“车用电机控制技术”研究生课程，侧重于电池管理与电能转换控制的技术研究。发表了EI/SCI高水平论文20余篇，出版书籍2本。2015年至2016年，受国家留学基金委资助，在美国马里兰大学帕克分校机械工程系做访问学者1年。

目　 录
前 言

第1章 绪论1
1.1 汽车电子技术发展历程1
1.2 纯电动汽车2
1.3 插电式混合动力电动汽车3
1.4 燃料电池电动汽车5
1.5 功率电子学在新能源汽车中的应用6
习题1 8
第2章 基本概念9
2.1　电路的波形及其参数9
2.1.1　参数10
2.1.2　直流11
2.1.3　正弦波12
2.1.4　矩形波16
2.1.5　三角波18
2.1.6　谐波20
2.2　半导体基础23
2.2.1　N型半导体和P型半导体23
2.2.2　PN结25
2.2.3　二极管27
2.3　理想开关的开关过程30
2.3.1　理想开关30
2.3.2　电感负载的理想开关过程31
2.3.3　电容负载的理想开关过程32
2.4　续流和换流34
2.4.1　功率二极管的续流34
2.4.2　功率半导体器件的换流36
2.5　硬开关的开关过程37
2.5.1　硬开关38
2.5.2　硬开关的开通过程38
2.5.3　硬开关的关断过程39
2.6　软开关的开关过程40
2.6.1　软开关40
2.6.2　ZCS的开关过程41
2.6.3　ZVS的开关过程42
2.7　脉冲宽度调制（PWM）原理44
2.7.1　PWM信号的类型44
2.7.2　PWM信号的占空比45
2.7.3　PWM数字信号的发生45
2.7.4　直流PWM斩波46
2.7.5　正弦波PWM（SPWM）发生原理48
2.8　直流开关51
2.8.1　低边开关52
2.8.2　高边开关52
2.9　电路的状态平均53
2.9.1　状态平均53
2.9.2　状态平均欧姆定律53
2.9.3　状态平均电感和电容特性53
2.9.4　状态平均基尔霍夫定律54
2.10 热阻55
2.10.1　热阻计算55
2.10.2　功率半导体器件热阻的构成55
2.10.3　功率半导体器件结温计算56
习题2 56
第3章 功率半导体器件58
3.1　功率二极管58
3.1.1　功率二极管的结构58
3.1.2　功率二极管的动态特性58
3.1.3　功率二极管的模型60
3.1.4　功率二极管的主要参数61
3.2　双极结型功率晶体管61
3.2.1　功率晶体管的结构61
3.2.2　功率晶体管的基本工作原理62
3.2.3　功率晶体管的工作区62
3.2.4　功率晶体管的击穿与安全工作区63
3.3　晶闸管63
3.3.1　晶闸管的结构64
3.3.2　晶闸管的工作原理64
3.3.3　晶闸管的静态特性66
3.3.4　晶闸管的动态特性67
3.3.5　晶闸管的参数68
3.4　功率金属氧化物场效应晶体管（P?MOSFET）68
3.4.1　MOS电容的工作原理69
3.4.2　MOSFET的结构与类型69
3.4.3　MOSFET的压控原理70
3.4.4　MOSFET的输出特性70
3.4.5　MOSFET的沟道夹断和转移特性71
3.4.6　P?MOSFET的结构72
3.4.7　P?MOSFET的通态电阻72
3.4.8　P?MOSFET的寄生器件72
3.4.9　P?MOSFET的等效电路73
3.4.10　P?MOSFET的开关特性74
3.4.11　P?MOSFET的安全工作区75
3.4.12　P?MOSFET的主要参数75
3.5　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）76
3.5.1　IGBT的结构和类型76
3.5.2　IGBT的基本工作原理77
3.5.3　IGBT的输出特性78
3.5.4　IGBT的寄生器件78
3.5.5　IGBT的擎住效应79
3.5.6　IGBT的开关特性79
3.5.7　IGBT的安全工作区81
3.5.8　IGBT的主要技术指标82
3.6　宽禁带功率半导体器件83
3.6.1　宽禁带83
3.6.2　碳化硅器件84
3.6.3　氮化镓器件85
习题3 86
第4章 直流变换技术87
4.1　DC/DC降压变换器87
4.1.1　DC/DC降压变换器的电路结构87
4.1.2　DC/DC降压变换器的工作原理88
4.1.3　DC/DC降压变换器的工作模式89
4.1.4　CCM降压变换器的输出电压90
4.1.5　CCM降压变换器的电感纹波电流91
4.1.6　CCM降压变换器的电容纹波电压92
4.1.7　CCM与DCM的边界93
4.1.8　DCM电路的输出电压94
4.1.9　DC/DC降压变换器的计算示例与仿真分析95
4.2　DC/DC升压变换器102
4.2.1　DC/DC升压变换器的电路结构102
4.2.2　DC/DC升压变换器的工作原理103
4.2.3　CCM升压变换器的输出电压104
4.2.4　CCM升压变换器的电感纹波电流105
4.2.5　CCM升压变换器的电容纹波电压105
4.2.6　CCM和DCM的边界106
4.2.7　DCM电路的输出电压106
4.2.8　DC/DC升压变换器的计算示例107
4.3　DC/DC升降压变换器109
4.3.1　DC/DC升降压变换器的电路结构109
4.3.2　DC/DC升降压变换器的工作原理109
4.3.3　CCM升降压变换器的输出电压110
4.3.4　CCM和DCM的边界条件111
4.3.5　Cuk变换电路112
4.3.6　DC/DC升降压变换器的计算示例113
4.4　DC/DC组合电路116
4.4.1　半桥DC/DC电路116
4.4.2　H桥DC/DC电路116
4.4.3　DC/DC的多相多重电路117
4.5　DC/DC隔离变换器118
4.5.1　单端正激式变换器118
4.5.2　推挽式变换器119
4.5.3　单端反激式变换器120
4.5.4　半桥式变换器122
4.5.5　H桥式变换器124
4.6　同步整流127
4.6.1　整流电路128
4.6.2　同步整流128
4.7　新能源汽车直流功率变换器130
4.7.1　电驱动系统双向DC/DC变换器131
4.7.2　高低压DC/DC隔离变换器132
4.7.3　48V混合动力系统DC/DC变换器132
习题4 133
第5章 逆变技术136
5.1　单相电压源逆变电路136
5.1.1　中心抽头变压器式单相电压源逆变电路136
5.1.2　半桥式单相电压源逆变电路137
5.1.3　H桥式单相电压源逆变器138
5.2　单相电压源逆变器的脉宽调制技术138
5.2.1　单极性SPWM技术138
5.2.2　双极性SPWM技术141
5.3　三相电压源逆变器144
5.3.1　三相电压源逆变器的电路工作原理144
5.3.2　三相SPWM技术145
5.3.3　三相空间电压矢量PWM技术146
习题5 154
第6章 整流技术156
6.1　不可控整流电路156
6.1.1　单相桥式二极管整流电路156
6.1.2　三相桥式二极管整流电路159
6.2　直流滤波电路161
6.2.1　容性输入直流滤波器162
6.2.2　感性输入直流滤波器163
6.3　相控整流电路165
6.3.1　单相桥式晶闸管半控整流电路165
6.3.2　单相桥式晶闸管全控整流电路170
6.3.3　三相桥式晶闸管全控整流电路175
6.4　PWM整流电路182
6.4.1　PWM整流器的基本原理182
6.4.2　单相PWM整流的工作模态184
6.4.3　单相PWM整流的调制技术187
6.5　动力电池充电系统189
6.5.1　充电设施的类型189
6.5.2　充电方法189
6.5.3　接触式充电技术190
6.5.4　无线充电基本原理190
6.5.5 V2G技术191
习题6 192
第7章 交流电驱动控制194
7.1　新能源汽车电驱动系统194
7.1.1　新能源汽车电驱动的技术要求194
7.1.2　电驱动装置电路195
7.1.3　交流电机的工作原理197
7.2　三相交流异步电机的控制原理201
7.2.1　稳态等效电路201
7.2.2　变频变压控制202
7.2.3　动态数学模型205
7.2.4　矢量控制基本方程209
7.2.5　间接矢量控制210
7.2.6　直接矢量控制213
7.2.7　直接转矩控制214
7.3　永磁同步电机的控制原理218
7.3.1　动态数学模型218
7.3.2　矢量控制219
7.3.3　电压电流极限及弱磁运行221
7.4　永磁无刷直流电机的控制原理224
7.5　电机的馈电控制227
习题7 229
参考文献230