机电传动控制课件 第9章

第9章电力电子技术本章重点：1.常见的电力半导体器件的基本工作原理和特性2.调压和变频的基本原理3.脉宽调制的工作原理9.1电力半导体器件常用的电力半导体器件按控制方式来分类：不可控器件半可控器件全可控器件。不可控器件整流二极管快速恢复二极管肖特基二极管半可控器件普通晶闸管高频晶闸管双向晶闸管光控晶闸管全可控器件功率晶体管（BJT）功率场效应管（PowerMOSFET）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）静电感应晶体管（SFT）可关断晶闸管（GTO）静电感应晶闸管（SITH）9.1.1晶闸管晶闸管（thyristor）是硅晶体闸流管的简称，是一种大功率半可控元件，俗称可控硅（siliconcontrolledrectifier，简称SCR）。晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。晶闸管的结构晶闸管是三端（阳极A、阴极K、门极G）四层半导体开关器件AAGGKKN2P2N1P1晶闸管的工作原理正反反正Q2Q1EAEGELKGARRP图9-2晶闸管的导通关断实验电路（1）晶闸管的导通条件。在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极同也加正向电压，两者缺一不可。（2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通。（3）晶闸管的关断条件。使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流IH。维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流。NPNPNPIB2IGIC1IC0IKIC2EGV1GAIAEAELK图9-3晶闸管工作原理示意图晶闸管的伏安特性OIHIG=0UR0URSMURRMUDSMUDRMUB1UB2IG2IG1UB0IAUA图9-4晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的主要参数（1）额定电压UR通常按照电路中晶闸管正常工作峰值电压的2～3倍的电压值选定为晶闸管的额定电压，以确保用电安全。（2）通态峰值电压UTM规定为额定电流时的管压降峰值，一般为1.5～2.5V，且随阳极电流的增大而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。（3）额定电流IR在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流IT，简称额定电流。（4）浪涌电流ITSM晶闸管在规定的极短时间内所允许通过的冲击电流值，通常ITSM比额定电流IR大4π倍。例如额定电流为100A的元件，其值为（1.3～1.9）kA。（5）维持电流IH在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流IH，一般为几十mA～一百多mA，（6）擎住电流IL晶闸管在触发电流作用下被触发导通后，只要晶闸管中的电流达到某一临界值时，就可以把触发电流撤除，这时晶闸管仍自动维持通态，这个临界电流值称为擎住电流IL。通常擎住电流IL要比维持电流IH大2～4倍。9.1.2其它电力半导体器件1.双向晶闸管（TRIAC）双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，可直接工作于交流电源，其控制极对于电源的两个半周均有触发控制作用，即双方向均可由控制极触发导通，它相当于两只普通的晶闸管反并联，故称为双向晶闸管或交流晶闸管。T2GGGT1T2T1图9-5双向晶闸管电路符号与等效电路2.可关断晶闸管（GTO）AAGGKKN2P2N1P1图9-6GTO的结构与电路符号3.电力晶体管（GTR）电力晶体管是一种双极性大功率高反压晶体管，可在高电压和强电流下使用，这种晶体管称为电力晶体管，也称功率晶体管或巨型晶体管，简称GTR。GTR大多采用NPN型。电力晶体管在应用中多数作为功率开关使用，主要要求其有足够的容量（高电压、大电流）、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。当GTR饱和导通时，其正向压降为（0.3～0.8）V，而晶闸管一般为1V左右。4.电力场效应晶体管（电力MOSFET）场效应管有三个电极，栅极G、漏极D和源极S。由栅极控制漏极和源极之间的等效电阻，使场效应管处于截止或导通状态。场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。UGSGDSUDSIDRLRLIDUDSUGSSGDP导电沟道绝缘层SiO2绝缘层SiO2N2N1GSSDG(a)结构(b)N沟道(c)P沟道图9-7MOSFET基本结构、图形符号及外接电路5.绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT从结构上可以看做是一种复合器件，图形符号和内部结构等效电路如图9-8所示。其输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型三极晶体管，因此兼有MOSFET和GTR的优点，即高输入阻抗、电压控制、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、电压电流容量较大、安全工作区域宽等特点。EST2T1icRRdrRGEGABCGEECG（a）结构（b）等效电路图9-8IGBT符号及内部结构等效电路9.2电力半导体器件的驱动电路9.2.1半控型电力半导体器件的驱动电路对于触发电路的要求如下：（1）为了使器件可靠地被触发导通，触发脉冲的数值必须大于门极触发电压UCT和门极触发电流ICT，即具有足够的触发功率。但其数值又必须小于门极正向峰值电压UCM和门极正向峰值电流ICM以防止晶闸管门极的损坏。（2）为了保证控制的规律性，各晶闸管的触发电压与其主电压之间具有较严格的相位关系，即保持同步。（3）为了实现变流电路输出的电压连续可调，触发脉冲应能在一定的范围进行移相。例如，单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为180°；而三相全控桥电感性负载（不接续流管时）要求触发脉冲的移相范围是90°。（4）多数晶闸管电路还要求触发脉冲的前沿要陡，以实现精确的触发导通控制。当负载为电感性时，晶闸管的触发脉冲必须具有一定的宽度，以保证晶闸管的电流上升到擎住电流以上，使器件可靠导通。a）正弦波b）尖脉冲c）方脉冲d）强触发脉冲e）脉冲列图9-9常见的触发脉冲电压波形1.单结晶体管的结构和特性Rb1Rb2IeUbbUeeAVDebb2P区Nb2bb2b（a）结构（b）等效电路（c）图形符号图9-10单结晶体管=常数UbbmAIeUeIvIpUpUvPVOV谷点峰点负阻区饱和区截止区图9-11单结晶体管的特性曲线2.单结晶体管的自振荡电路b1b2eSucuoUPUVucuooottR2RR1CE（a）电路图（b）波形图图9-12单结晶体管的自振荡电路3.单结晶体管触发电路TiuDusb1b2euCV2V1VT2VT1uRAVR1R2RC图9-13单相半控桥式整流电路的触发电路9.2.2全控型电力半导体器件的驱动电路驱动电路的具体形式可以是分立器件构成的驱动电路，但目前的趋势是采用专用的集成驱动电路，而且为达到参数最佳配合，应首先选择使用电力电子器件的生产厂家专门为其器件开发的集成驱动电路。1.电流驱动型器件的驱动电路GTO的门极控制电路包括开通电路、关断电路和反偏电路。GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，而关断则不同，门极控制技术关键在于关断。影响关断的因素主要有：被关断的阳极电流、负载阻抗的性质、工作频率、缓冲电路、关断控制信号波形及温度等。GTOLV3V2V1R4R3R2R1C4C3C1C2VD3VD2VD1VD4N3N2N1图9-14典型的直接耦合式GTO驱动电路2.电压驱动型器件的驱动电路SDMOSFET20V20VGUCCRG+UCCV3V2AV1Bui图9-15电力MOSFET的一种驱动电路9.3晶闸管调压电路9.3.1直流斩波电路1．直流斩波器的工作原理-+UduVT1LVDREUdutTUavtontoffD（a）原理电路（b）斩波后的输出电压图9-16晶闸管直流斩波器2．斩波器电路（a）原理电路（b）波形图图9-17斩波电路及其波形Tug2ug1ug2ug1ttOOuudVT2R+CRfzVT1ud_E+t19.3.2交流调压电路9.3.2.1单相交流调压电路图9-18单相交流调压电路的基本形式1．电阻性负载uG1uG2uG1ωtOuTioOωtωtOuouGOωtωtOuiuiuTuoioVT2VT1R（a）原理电路（b）波形图图9-19电阻性负载2.电感性负载图9-20电感性负载原理电路ΦZRuRωLiVT2VT1u2LuOOOiu2,ugug1ug2uOOOiu2,ugug1ug2ug2ug1u2,ugiOOOu图9-21电感性负载波形图单相交流调压有如下特点：（1）电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变触发控制角α可以连续改变负载电压的有效值，达到交流调压的目的。（2）电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当α＜Φ时，会出现一个晶闸管无法导通，并产生很大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。（3）电感性负载时，最小触发控制角α=Φ。所以α的移相范围为0°~180°；电阻负载时移相范围为0°~180°。ABC(b)(c)ABC(e)CBA(f)ABC(d)(a)ABCOABC图9-22三相交流调压电路的基本形式9.4逆变电路整流是把交流电变换成直流电供给负载，而逆变就是整流的逆过程，也就是将直流电转换成交流电的过程。在许多场合，同一套晶闸管或其他可控电力电子变流电路既可作整流又可作逆变，这种装置称为变流装置或变流器。根据逆变输出交流电能去向的不同，又可将逆变电路分为有源逆变和无源逆变。有源逆变是以电网为负载，将逆变输出的交流电能回送到电网。无源逆变是以用电器为负载，如交流电机、电炉等。1．整流状态（0＜α＜π／2）9.4.1有源逆变电路ωtOu2UdEudαu2ERudIdLdMNPVT4VT3VT2VT1图9-23整流工作状态2．逆变状态（π／2＜α＜π）ωtOu2UdEudαu2ERudIdLdMNPVT4VT3VT2VT1图9-24逆变工作状态9.4.2无源逆变电路1．逆变器的工作原理tTEuouoRQ3Q4Q2Q1E（a）原理电路（b）波形图图9-25逆变器工作原理换相方式主要有以下几种。（1）器件换相使用全控器件，可以用控制极信号使其关断，换相控制就会更加简单。（2）电网换相可控整流电路和三相交流调压电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助于电网电压实现换相的，都属于电网换相。在换相时，只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。（3）负载换相凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换相。（4）强迫换相设置附加的换相电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换相方式称为强迫换相。ωtωtωtωtt1uVT4uVT1iououVTiVT3iVT2iiVT4iVT1iOOOOuo,io_+RLCLduoidioUdVT3VT4VT2VT1（a）原理电路（b）波形图图9-26负载换相电路及波形+负载VTVDCQLL负载Q+CVDVT负载C+QVT图9-27强迫换相电路2．基本逆变器电路（1）半桥逆变电路t5t6t3t4t2t1V2V1V2V1VD2VD1VD2VD1UmUmiouoOttOLRuoioC1C2Ud22UdUdV2V1VD2VD1（a）原理电路（b）波形图图9-28半桥逆变电路（2）全桥逆变电路θt3t2t1iouoOttOOttOu,iuG4uG3uG2uG1Otuo,ioLRUdV3VD3VD4V4V2VD2VD1V1（a）原理电路（b）波形图图9-29全桥逆变电路及波形9.5脉宽调制控制9.5.1SPWM控制的基本原理OOuuωtωt图9-30用PWM波代替正弦半波脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，简称PWM）控制技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）载波信号波调制电路ucurCUduoLRVD3VD4VD2VD1V2V4V3V1图9-31单相桥式SPWM逆变电路图图9-31单相桥式SPWM逆变电路图载波信号波调制电路ucurCUduoLRVD3VD4VD2VD1V2V4V3V1UDUDOuofuouoωtωturucOu图9