第1章车用功率器件
　　1.1简介
　　在我们的社会生活中，能源是必不可少的。现在我们所利用的能源分为热、化学和电三种。其中，电能具有较高的运输性和便利性，因此，形成了电力系统这一广域网，广泛渗透到社会当中。但是，2011年3月发生的东日本大地震，造成了巨大的人员和财产损失，对整个日本的电力系统和供给产生了深刻影响，造成了巨大的社会冲击。随之而来的灾后重建，需要创造新的社会，这意味着不能再进行单纯的重建，而是要充分利用可再生能源，构建一个环境安全、安心的社会。在能源生产领域，为了降低对环境的影响并减少对以石油、煤炭为代表的化石燃料的依赖性，展开了利用太阳能、风能等的相关讨论。另外在能源消费领域，从汽油车到混合动力汽车再到电动汽车，或者热源的热泵化和IH（感应加热）等，过去未使用电能的领域中，对电能的利用越来越多。在此情况下，2017～2018年成为电动汽车开发取得重大进展的一年。作为全球最大汽车市场的中国，考虑到对大气的污染，跳过混合动力汽车，直接转向了发展电动汽车。在法国，提出了2040年之前在法国国内禁售汽油车和柴油汽车的方针。至于挪威，则提出了2025年之前全部改用电动汽车的口号。与此同时，日本、欧洲、美国，以及中国的制造商也都开始大力研发电动汽车。也就是说，今后对电能，即电力的依赖程度将稳步上升，电力将成为未来能源的核心。
　　电力电子是一种用电子控制电力的技术，具体来说，是一种利用功率器件来控制电力，并将电力转换成更易使用形式的技术。电力电子这一词汇是由W.E.Newell在1973年的第一次PESC（电力电子专家会议）的主题演讲中首次提出的。如图1.1所示，他展示了这一横跨电子、电力及控制等领域的技术的重要性，并将其命名为电力电子。他还表示，半导体开关对于未来的电气设备将是必不可少的，其产品的优劣将取决于电力电子技术。近年来，随着电力控制和转换的复杂化，对节能的要求越来越高，电力电子设备也需要具有更高的效率和更好的功能。可以毫不夸张地说，电力电子的电力控制建立于功率器件的低电阻和高速开关技术基础之上，功率器件的性能影响着电力控制的性能。目前，电力电子和功率器件有望成为促进节能、减少二氧化碳排放、防止全球变暖的重要手段，并有望实现高速增长。电力电子的应用范围极其广泛，从家电、信息通信到一般工业、汽车、铁路、风力和太阳能发电，甚至电力系统等。因此，用于其中的功率器件处理的电压和电流范围也很宽，电压从几十伏到几万伏，电流从毫安（mA）到几千安培。
　　图1.1 W.E.Newell对电力电子的解释
　　由于难以用一种功率器件来应对这样宽泛的领域，所以各种功率器件根据各自的特性来进行区分使用。图1.2显示了以额定电压为横轴，以额定电流为纵轴时的电力电子的用途和与之相对应的功率器件的示例。
　　图1.2 功率器件的应用领域
　　1.2 电压型逆变器和电流型逆变器
　　在这里，简单讲述一下关于搭载功率器件的电力电子电路。利用电力电子技术进行功率变换主要分为交流变直流（整流）、直流变直流（斩波）、直流变交流（逆变），以及交流变交流四种。一般情况下，几乎所有的交流变交流的功率变换是通过串联一个交流变直流的变换电路（整流器）和一个直流变交流的变换电路（逆变器）来进行的。因此，在交流变交流的功率变换器中，整流器和逆变器这两个具有不同功能的功率变换电路通过临时储能元件DCLink进行连接。根据DC Link部分的不同，将直流转换为交流的逆变器电路分为电流型逆变器和电压型逆变器。图1.3和1.4分别显示了电流型逆变器和电压型逆变器的基本配置和电路图。
　　图1.3 电流型逆变器各部分功能示意图和电路图
　　在电流型逆变器中，如图1.3所示，连接电感L作为临时储能元件。该逆变器中使用的半导体器件需要具有正向和反向阻断功能。实际上，为了具有双向阻断功能，开关元件（图1.3中表示为IGBT）和整流元件（二极管）串联形成电路。由于电感器L较大，即使开关元件频繁地导通和关断，直流电流Idc也几乎不发生变化。
　　此外，由于电感L是串联连接的，当负载（图1.3中感应电机相当于负载）短路时，不会突然流过大电流，因此无需担心负载短路时的元件损坏。但由于开关元件和二极管串联连接，电流会流过这两个元件，存在损耗增加的缺点。在图1.4所示的电压型逆变器中，连接电容C作为临时储能元件。这样，即使开关元件频繁地导通和关断，输入电压Vdc也非常稳定，几乎不发生变化。另一方面，由于在交流输出端需要使电机等感应负载（电感）工作，因此开关元件需要具有反向导通功能。该开关元件的反向导通功能可以通过与开关元件反并联连接一个
　　图1.4 电压型逆变器各部分功能示意图和电路图