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第1章緒論

1.1電力電子系統(tǒng)解析

1.1.1功率半導體器件

1.1.2功率變換電路

1.1.3脈沖控制

1.2電力電子系統(tǒng)綜合

1.2.1硬件與軟件的統(tǒng)一性

1.2.2能量與信息的互動性

1.2.3線性與非線性的轉(zhuǎn)換性

1.2.4離散與連續(xù)的混雜性

1.2.5多時間尺度的協(xié)調(diào)性

1.3電力電子系統(tǒng)應用

1.3.1柔性交直流輸電

1.3.2新能源并網(wǎng)發(fā)電中電力電子裝置

1.3.3電力牽引

1.4電力電子系統(tǒng)存在的問題

1.4.1對功率開關(guān)器件短時間尺度的電磁瞬態(tài)過程認識不清

1.4.2瞬態(tài)電能變換拓撲結(jié)構(gòu)理想化

1.4.3信號脈沖與能量脈沖差異

1.4.4電磁瞬態(tài)過程不明確

第2章電磁瞬態(tài)過程及其建模

2.1電力電子系統(tǒng)中的電磁瞬態(tài)過程

2.1.1主功率回路電磁瞬態(tài)過程

2.1.2驅(qū)動回路電磁瞬態(tài)過程

2.1.3控制回路電磁瞬態(tài)過程

2.2電磁瞬態(tài)過程數(shù)學模型

2.2.1電磁瞬態(tài)過程建模方法

2.2.2主電路電磁瞬態(tài)模型

2.2.3元器件電磁瞬態(tài)模型

2.2.4驅(qū)動電路和控制電路的電磁瞬態(tài)模型

2.3時間尺度的差異及其影響

2.3.1典型瞬態(tài)回路時間尺度及比較

2.3.2不同時間常數(shù)回路電磁變換關(guān)系

2.3.3時間常數(shù)差異帶來的影響

2.3.4電磁變換平衡下的回路參數(shù)匹配

2.4電磁脈沖及脈沖序列

2.4.1電磁脈沖及脈沖序列數(shù)學描述

2.4.2脈沖及其序列傳輸和變異

2.4.3時間脈沖序列和脈沖邏輯組合

第3章功率開關(guān)器件瞬態(tài)特性

3.1功率開關(guān)器件的物理機制和器件特性關(guān)系

3.1.1物理機制與典型器件特性的關(guān)系

3.1.2不同物理機制器件特性差異

3.2變換器中功率開關(guān)器件瞬態(tài)特性測試

3.2.1單個器件測試的拓撲與控制

3.2.2獨立測試平臺單個器件瞬態(tài)特性

3.2.3變換器中的單個器件瞬態(tài)特性

3.3變換器中功率開關(guān)器件瞬態(tài)特性分析

3.3.1運行中開關(guān)特性分析

3.3.2相互影響現(xiàn)象分析

3.4功率開關(guān)器件的并聯(lián)運行

3.4.1關(guān)鍵參數(shù)對并聯(lián)器件瞬態(tài)特性影響

3.4.2IGBT并聯(lián)特性分析

3.4.3IGBT并聯(lián)實驗研究

3.5功率開關(guān)器件的串聯(lián)運行

3.5.1器件串聯(lián)均壓的基本思路

3.5.2IGCT串聯(lián)

第4章瞬態(tài)換流拓撲及其雜散參數(shù)

4.1瞬態(tài)換流拓撲定義

4.1.1變換器拓撲定義

4.1.2變換器瞬態(tài)換流拓撲

4.2復雜主電路雜散參數(shù)提取方法

4.2.1提取方法對比

4.2.2PEEC準確性分析

4.2.3復雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)提取簡化處理

4.3基于模塊封裝IGBT的變換器主電路雜散參數(shù)分析

4.3.1雜散參數(shù)對變換器中IGBT特性影響

4.3.2IGBT變換器直流母排建模

4.4基于平板壓裝IGCT的變換器主電路雜散參數(shù)分析

4.4.1IGCT三電平變換器主電路母排建模

4.4.2瞬態(tài)換流拓撲

4.5雜散參數(shù)影響量化分析及其優(yōu)化

4.5.1模塊封裝IGBT變換器中的雜散參數(shù)影響評估

4.5.2模塊封裝IGBT變換器母排優(yōu)化

4.5.3平板壓裝IGCT變換器中的雜散參數(shù)影響評估

4.5.4平板壓裝IGCT三電平變換器母排優(yōu)化

第5章基于器件特性的系統(tǒng)安全工作區(qū)

5.1系統(tǒng)安全工作區(qū)的定義

5.1.1系統(tǒng)安全工作區(qū)的基本思想

5.1.2器件安全工作區(qū)與系統(tǒng)安全工作區(qū)的關(guān)系

5.2系統(tǒng)安全工作區(qū)的數(shù)學模型

5.2.1關(guān)鍵器件、拓撲和控制參數(shù)定義

5.2.2數(shù)學模型推導

5.2.3基于系統(tǒng)安全工作區(qū)設計樣例

5.3系統(tǒng)安全工作區(qū)的影響因素分析

5.3.1直流母排雜散參數(shù)影響

5.3.2控制參數(shù)影響

5.3.3外部參數(shù)影響

5.3.4溫度參數(shù)影響

5.3.5器件并聯(lián)特性影響

5.4基于系統(tǒng)安全工作區(qū)的評估與優(yōu)化設計

5.4.1評估與優(yōu)化設計流程

5.4.2系列化電力電子變換器設計中的應用

5.4.3基于系統(tǒng)安全工作區(qū)變換器評估與保護

第6章電磁瞬態(tài)過程的量測/觀測分析

6.1采樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和功能

6.2采樣系統(tǒng)中功率量和信號量的差異

6.3采樣延遲和誤差對控制性能的影響

6.3.1頻域分析

6.3.2時域分析

6.4抑制采樣延遲和誤差設計

6.4.1硬件設計

6.4.2軟件設計

6.4.3采樣系統(tǒng)優(yōu)化設計的效果

第7章主電路電磁脈沖及其序列

7.1電力電子系統(tǒng)中各類脈沖及其序列的數(shù)學描述

7.1.1各類脈沖的區(qū)別及演化過程

7.1.2能量脈沖數(shù)學描述

7.1.3信號脈沖數(shù)學描述

7.1.4能量脈沖序列數(shù)學描述

7.1.5信號脈沖序列數(shù)學描述

7.2脈沖形態(tài)變化的影響及解決方法

7.2.1死區(qū)影響及最小脈寬設計方法

7.2.2最小脈寬影響及解決方法

7.2.3離散誤差及其補償方法

7.3脈沖時序變化的影響及解決方法

7.3.1脈沖延遲對控制性能的影響

7.3.2脈沖延遲的補償方法

第8章高性能閉環(huán)控制及其限制

8.1閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與限制

8.1.1閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

8.1.2傳統(tǒng)控制方法的限制

8.2控制策略造成的無效脈沖的影響及解決方法

8.2.1控制耦合產(chǎn)生的無效脈沖

8.2.2控制器飽和產(chǎn)生的無效脈沖

8.2.3變換器特殊運行狀態(tài)中產(chǎn)生的無效脈沖

8.3短時間尺度主動控制方法

8.3.1主電路電磁脈沖的控制方法分類

8.3.2主電路電磁脈沖的主動控制方法

8.3.3主動控制方法的效果

8.3.4主動控制方法與主電路集成技術(shù)

8.3.5分布式主動控制方法的效果

第9章瞬態(tài)過程中的電磁能量平衡

9.1電磁能量平衡及建模

9.1.1瞬態(tài)電磁能量平衡關(guān)系

9.1.2基于瞬態(tài)能量平衡的控制建模

9.2基于瞬態(tài)能量平衡的控制

9.2.1傳統(tǒng)電壓控制策略性能分析

9.2.2基于瞬態(tài)能量平衡的控制策略

9.3背靠背變換器能量平衡控制

9.3.1雙PWM變頻器系統(tǒng)的能量平衡模型

9.3.2雙PWM變頻器母線電容能量波動過程分析

9.3.3基于分步補償?shù)哪芰科胶饪刂撇呗?

9.3.4基于能量平衡控制策略的母線電壓波動

最小化設計方法

9.4電磁能量平衡控制分析

9.4.1控制系統(tǒng)小信號模型

9.4.2系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

9.4.3系統(tǒng)動態(tài)性能分析

9.4.4系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析

9.4.5仿真與實驗結(jié)果分析

第10章變換系統(tǒng)中電磁瞬態(tài)分析的應用

10.1高壓IGBT串聯(lián)變換器電磁瞬態(tài)分析

10.1.1適用于高壓IGBT串聯(lián)的瞬態(tài)機理模型

10.1.2串聯(lián)IGBT瞬態(tài)行為分析

10.1.3拖尾階段的瞬態(tài)特性

10.2基于SiC器件的高頻變換器

10.2.1開關(guān)瞬態(tài)過程分析與建模

10.2.2高頻變換器電磁瞬態(tài)過程分析

10.3結(jié)語

參考文獻

第3章功率開關(guān)器件瞬態(tài)特性

功率開關(guān)器件是電力電子變換的基礎(chǔ)，功率開關(guān)器件只有在電力電子系統(tǒng)應用中才能真正體現(xiàn)其特性。從系統(tǒng)解析的角度看，功率開關(guān)器件是電力電子系統(tǒng)構(gòu)成的主要要素之一，并與變換系統(tǒng)中的其他要素(如主電路拓撲和控制等)交叉耦合在一起，共同決定了電力電子系統(tǒng)的電磁瞬態(tài)過程。從系統(tǒng)綜合的角度看，功率開關(guān)器件是從軟件到硬件的關(guān)鍵執(zhí)行元件，是信息能量互動的重要集結(jié)地，也是系統(tǒng)中非線性現(xiàn)象最突出的地方。所以，功率開關(guān)器件瞬態(tài)特性是電力電子系統(tǒng)瞬態(tài)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從功率開關(guān)器件本身來看，其內(nèi)部物理機制和外部影響因素共同決定了它的電磁瞬態(tài)特性。

3.1功率開關(guān)器件的物理機制和器件特性關(guān)系

3.1功率開關(guān)器件的物理機制和器件特性關(guān)系

功率開關(guān)器件(power semiconductor devices)也稱電力半導體器件。根據(jù)IEEE的一般定義，電力電子技術(shù)是有效地使用電力半導體器件，應用電路和設計理論以及分析方法工具，實現(xiàn)對電能的高效變換和控制的一門技術(shù)。

在大容量電力電子技術(shù)應用中，功率半導體的地位更加突出，它對裝置的可靠性、成本和性能起著十分重要的作用，目前功率開關(guān)器件的水平還遠不能滿足實際的需求。所以，如何掌握好功率開關(guān)器件的電磁瞬態(tài)特性、充分發(fā)揮器件的應用潛力，一直是研究熱點。圖3.1給出了幾種典型的高壓大容量功率開關(guān)器件的電壓電流容量圖。由圖可見，功率開關(guān)器件的電量額定值是有限值的。

圖3.1幾種典型的高壓大容量功率開關(guān)器件額定電壓和電流

功率開關(guān)器件特性并無準確的定義，一般指的是功率開關(guān)器件在變換器應用中所表現(xiàn)出來的各種電氣、熱工和機械特性，包括器件的通態(tài)、阻態(tài)、開通、關(guān)斷、恢復、驅(qū)動、機械、熱特性等，體現(xiàn)為器件外在的、可測量的特性，而實際上這些特性是由器件內(nèi)部的物理機制與器件外部因素之間的相互影響共同決定的。功率開關(guān)器件具體型號繁多，可以按照物理機制分成幾大類，每類器件的特性具有一定的相似性。

3.1.1物理機制與典型器件特性的關(guān)系

從器件的物理本質(zhì)上講，功率開關(guān)器件與集成電路(IC)芯片非常類似，它們都由PN結(jié)、雙極型晶體管、MOS(金屬氧化物半導體)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此基本的半導體器件物理學理論可以適用于這兩個不同領(lǐng)域的器件。但是從器件的制作和應用角度講，兩類器件存在明顯的差異，功率開關(guān)器件應用中需要考慮大功率電路特性，如絕緣、大電流能力等。在實際應用中，以開關(guān)模式為運行特征，一般不運行在放大狀態(tài)。功率開關(guān)器件應用在電力電子變換器中，實施的是電磁能量變換，而不是單純的數(shù)字信號邏輯，或者簡單的開/關(guān)狀態(tài)。因此，功率開關(guān)器件所固有的非理想特性在電力電子變換器中顯得非常重要。

1. 物理機制分類

對于功率開關(guān)器件來說，其物理機制與器件內(nèi)部載流子性質(zhì)和內(nèi)部構(gòu)造有密切關(guān)系。按照半導體器件中載流子的性質(zhì)可以分為雙極型、單極型和混合型，按照半導體器件中內(nèi)部的簡化構(gòu)造可以分成兩層一結(jié)的二極管、三層兩結(jié)的晶體管、四層三結(jié)的晶閘管等。

1) 雙極型器件

雙極型器件是指在器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與導電過程的半導體器件，都是基于PN結(jié)原理的結(jié)型半導體器件，也稱結(jié)型器件。但是結(jié)型場效應晶體管(JFET)等器件，其工作時器件內(nèi)僅有多數(shù)載流子參與導電，屬于單極型器件。雙極型器件的通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、電流容量大，開關(guān)頻率一般不高，適用于中大容量的變流裝置。常見的有BJT、GTO、GCT(IGCT中的門極換流晶閘管，不包括集成門極電路)等。

BJT是三層結(jié)構(gòu)的雙極型器件，它具有控制方便、開關(guān)時間短、通態(tài)壓降低、高頻特性好等優(yōu)點。由于存在二次擊穿的問題和耐壓難以提高的缺點，阻礙了它的進一步發(fā)展，因而在大容量電力電子系統(tǒng)使用較少。

GTO是四層結(jié)構(gòu)的雙極型器件，是目前耐壓較高、電流容量較大的一種全控型器件。其派生形式較多，如逆阻型、逆導型、無反壓型、掩埋門極型、放大門極型以及MOS型等。這種器件的缺點是關(guān)斷增益較小，門極反向關(guān)斷時容量要求大； 為了限制dv/dt及關(guān)斷損耗，需設置專門的緩沖電路而會消耗一定的能量。但與傳統(tǒng)的晶閘管相比，GTO在體積、質(zhì)量、效率、可靠性諸方面有較明顯的優(yōu)勢。GTO通過壽命控制技術(shù)折中了導通電壓和關(guān)斷損耗之間的矛盾，它一方面在許多高電壓大電流應用領(lǐng)域中取代了傳統(tǒng)的晶閘管，另一方面又在一些稍低容量等級應用中逐漸被IGCT等器件取代。

2) 單極型器件

單極型器件是指器件內(nèi)只有一種載流子(即多數(shù)載流子)參與導電過程的功率開關(guān)器件。這類器件的開關(guān)頻率一般較高，耐壓為幾百伏的器件最高開關(guān)頻率可以達到幾十到幾百千赫。典型器件代表有功率MOSFET。

功率MOSFET為電壓控制器件，具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著特點。這種器件還具有電流負溫度系數(shù)、良好的電流自動調(diào)節(jié)能力、良好的熱穩(wěn)定性和較高的抗干擾能力等優(yōu)點。另外，由于導電機理和結(jié)構(gòu)的特點，其電流容量和耐壓提高難度較大，通常用于中小功率、開關(guān)頻率較高的變流裝置中。

肖特基二極管和JEFT等器件工作時，其器件內(nèi)部只有多數(shù)載流子參與導電行為，屬于單極型器件。這類器件的開關(guān)頻率甚至可以達到兆赫，但是器件的容量非常有限，當寬禁帶材料用于該類材料時，器件的容量水平才得到明顯提高。

3) 混合型器件

混合型器件也稱復合型器件，由雙極型器件和單極型器件集成混合而成。它們利用耐壓高、電流密度大、導通壓降低的雙極型器件(如SCR、GTO、BJT等)作為功率輸入輸出通道，而利用輸入阻抗高、響應速度快的單極型器件MOS結(jié)構(gòu)作為控制通道，因而兼?zhèn)淞藘烧叩膬?yōu)點。這類器件的典型代表有IGBT和IEGT等，而IGCT等為通過芯片外部實現(xiàn)兩類器件混合的器件。

IGBT由于其突出的優(yōu)良性能而得到越來越廣泛的應用。它具有大功率晶體管的導通壓降低、通流密度大等優(yōu)點，又同時兼具MOSFET的開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗低、控制方便等優(yōu)點。因此，IGBT開關(guān)器件發(fā)熱少，驅(qū)動功率小，體積趨于更小。同時，IGBT的安全工作區(qū)寬，噪聲低，驅(qū)動保護十分容易，具有正電阻溫度系數(shù)的IGBT可以并聯(lián)運行。

IEGT是一種電子注入增強型絕緣柵極晶體管，其柵極具有改進構(gòu)造，再加上精密設計的陰極結(jié)構(gòu)，使它既能保持IGBT的優(yōu)良關(guān)斷特性，又能在大電流情況下降低通態(tài)電壓。

IGCT是集成門極驅(qū)動電路和門極換流晶閘管(GCT)的總稱。其特性介于GTO與IGBT之間，具有功率大、耐壓高、開關(guān)頻率較高、驅(qū)動功率小等特點，適合作為中高壓變換器開關(guān)器件。

隨著功率開關(guān)器件的不斷發(fā)展，新的材料、工藝和技術(shù)的采用，一些分類標準并不能很好體現(xiàn)電力半導體器件的區(qū)別，因此也產(chǎn)生其他一些分類方法。比如，隨著寬禁帶材料的使用，基于SiC和GaN材料的器件正成為器件領(lǐng)域研究的熱點問題，此時可以按照材料特性對器件進行分類，如Si器件、SiC器件和GaN器件等。同樣，隨著器件在變換器中的安裝形式不同，根據(jù)器件的封裝進行分類，如壓接式器件、模塊器件等，一般的壓接器件的電流容量都較大。

在此選取幾種典型特性，如極限結(jié)溫、耐壓、過流等，來分析器件內(nèi)部的物理機制。

2. 器件的極限結(jié)溫與半導體本征溫度

功率開關(guān)器件的應用特性幾乎全都與溫度有關(guān)，在所有的器件手冊中都規(guī)定了極限工作結(jié)溫，這實際上與構(gòu)成器件的半導體材料密切相關(guān)。在功率半導體分析中，控制摻雜半導體的載流子濃度非常關(guān)鍵。一般假設摻雜雜質(zhì)都被電離，同時雜質(zhì)載流子濃度遠大于本征載流子濃度，這是控制半導體器件特性的基礎(chǔ)。實際上這些假設都與溫度存在一定的關(guān)系。

在器件機制分析中，經(jīng)常假設半導體中的純載流子濃度|ND-NA|(ND一般為五價雜質(zhì)濃度，也稱為施主雜質(zhì)濃度； NA一般為三價雜質(zhì)濃度，也稱為受主雜質(zhì)濃度)比本征載流子濃度ni大得多。而實際上，隨著半導體材料溫度的不斷升高，材料中硅的價電子能獲得的熱能不斷增加。本征載流子濃度也在不斷增加。當增加到一定程度，上述假設不再滿足，此時硅半導體中的電子濃度不再近似等于|ND-NA|。圖3.2中，給出了N型半導體中不同|ND-NA|值下，自由電子濃度隨溫度變化而變化的情況。

圖3.2電子濃度隨溫度變化而變化的情況

在很低的溫度條件下，電子被施主原子或空穴被受主原子所約束而沒有被電離，稱作載流子被凍結(jié)。雜質(zhì)原子不能完全被電離，會很明顯地影響半導體中的載流子濃度。在圖3.3中完整地給出了一個N型半導體從低溫到高溫時電子濃度的變化。在很寬的溫度范圍內(nèi)，電子濃度與摻雜原子濃度相等，這個范圍被稱為工作區(qū)。在高溫條件下，本征載流子濃度很快增加，最后超過摻雜原子濃度，該溫度點一般稱為本征溫度。

當半導體溫度高于本征溫度時，摻雜原子對載流子濃度不再有影響，該溫度對于半導體材料構(gòu)成的器件非常重要，所以本征溫度與半導體器件最高工作溫度有密切關(guān)系。另一方兩者又存在差異，這與功率開關(guān)器件的設計關(guān)系十分密切。比如功率開關(guān)器件為了提高耐壓，總是需要一個有很低摻雜濃度的區(qū)域，通常該區(qū)域?qū)谋菊鳒囟炔坏扔谄骷罡吖ぷ鳒囟取Ｒ话銇碚f，保證器件額定運行的最高溫度即為額定最高結(jié)溫。通過圖3.3看出，硅器件的額定最高結(jié)溫一般為125~150℃，該溫度是由硅材料特性決定的。在寬禁帶材料構(gòu)成的器件中，該溫度可以大大提高，這是寬禁帶器件優(yōu)于硅基器件的特性之一。

圖3.3N型半導體電子濃度隨溫度變化示意圖

3. PN結(jié)的擊穿與穿通

幾乎所有功率開關(guān)器件的耐壓主要是由PN結(jié)承擔，器件在正、反向承壓時參與承壓的PN結(jié)可能不同。

由PN結(jié)的伏安特性可知： 在施加反向偏壓時，反向電流與反向偏壓無關(guān)而保持一很小的數(shù)值，即反向飽和電流(也稱為漏電流)。然而，在實際的反偏置PN結(jié)中，反向電流隨著反向電壓的增大而略有增長。當反向偏壓增大到某一數(shù)值時，反向電流驟然變大，如圖3.4的第三象限所示。

……