第15章全控型电力电子器件及其应用

第十五章全控电力电子器件及其应用第一节全控电力电子器件第二节变频器的基本概念第三节脉宽调制型变频器第四节直流斩波返回主目录第一节全控电力电子器件一、电力晶体管(GTR）二、可关断晶闸管（GTO)三、功率场效应晶体管(PowerMOSFET)四、绝缘栅双极晶体管(IGBT)电力电子器件分类1电力电子器件不控型：功率二极管半控型：晶闸管全控型IGBT(绝缘栅双极晶体管)功率MOSFET（功率场效应晶体管)GTR（电力晶体管）GTO（可关断晶闸管)全控型电力电子器件分类2全控型电力电子器件单极型（一种载流子参与导电）双极型（两种载流子参与导电）复合型（由单极性和双极型复合）功率MOSFET（功率场效应晶体管)SIT（静电感应晶体管）GTR（电力晶体管）GTO（可关断晶闸管)SITH(静电感应晶闸管）IGBT(绝缘栅双极晶体管)MCT（MOS控制晶闸管）GTR的结构15-1一、电力晶体管(GTR）GTR的工作原理GTR电流控制器件正偏（IB＞0）时大电流导通反偏（IB＜0）时处于截止状态GTR的系列单管达林顿管达林顿模块GTR驱动管输出管加速管续流管生产水平：1800V，1000A30KHZ15-2图15-3GTR模块GTR的特点GTR工作在临界饱和状态，一旦施加反向基极电流，器件可迅速关断。临界饱和二、可关断晶闸管（GTO)GTO的结构和等效电路15-4GTO的工作原理GTO的开通原理：同普通晶闸管GTO的关断机理：闭合S，门极加负偏压，IC1被抽走，形成门极负电流-IG.？GTO和SCR的不同GTO的内部包含有数百个共阳极的小GTO，这些小GTO称为GTO元。GTO元的阳极是共有的，门极和阴极分别并联在一起。这是实现门极控制关断所采取的特殊设计。功率MOSFET结构15-5三、功率场效应晶体管（功率MOSFET)＋－导电沟道形成IDDGSUGS＋－1.导通：UGS＞0，导通2.关断：UGS＜0，截止功率MOSFET工作原理四、绝缘栅双极晶体管（IGBT)集MOSFET和GTR的优点于一身。输入阻抗高，工作速度快，热稳定性好，驱动电路简单。生产水平：2500V，1000AIGBT的工作原理1.导通：UGE＞UT，导通UGE＜0，截止2.关断：图15-6IGBT的等效电路与图形符号N沟道UCE＞0且第二节变频器的基本概念一、变频调速的基本原理二、变频器的分类及结构形式三、逆变器的基本原理与换流方式基本概念变频器：对交流电动机实现变频调速的装置称为变频器。变频器的功能：将电网提供的恒压恒频交流电变换成为变压变频的交流电，对交流电动机实现无级调速。变流电路整流逆变不可控整流可控整流：将交流电变换成可调的直流电有源逆变：将直流电变成和电网同频率的交流电，直接送回电网。无源逆变：将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电直接供给负载使用。一、变频调速的基本原理snspfn116001异步电动机的转速表达式式中，是定子供电频率（HZ）；P是磁极对数；s是转差率；n是电动机转速（）。1fminr改变，即可改变异步电动机的转速n0，能实现异步电动机的无级调速吗？1f问题meT11mfU事实上只改变并不能正常调速，因为据电机学知1f假设调速时只改变，设，则，于是电磁转矩，这样电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转。若调节，则，会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高。会使定子铁心损耗急剧增加。这两种情况都是实际运行中所不允许的。1f1fmeT1fmmmRI2结论只改变，不能实现异步电动机的无级调速1f？实际调速方法在调节的同时，调节定子供电电压的大小，通过和的配合，实现不同类型的调频调速。1f1U1f1U当f1≤f1n时，对恒转矩负载，都采用电压频率比例调节，低频段加以电压补偿的恒转矩调速方式，即nnfUfU1111=常数式中，是定子供电额定频率；是定子供电额定电压。nf1nU1nUU11当f1＞f1n时，对近似恒功率负载，采用只调节频率f1，而不调节电压的控制方式，即1U二、变频器的分类及结构形式1.变频器的分类变频器交—交变频器交—直—交变频器按无功能量处理方式分按调压方式分电压型电流型脉冲幅度调制型脉冲宽度调制型相位控制调压直流斩波调压二、变频器的分类及结构形式2.变频器的结构形式图15-7两种类型的变频器二、变频器的分类及结构形式2.变频器的结构形式图15-8交—直—交电压型变频器的结构形式三、逆变器的基本原理与换流方式图15-9单相桥式逆变电路工作原理当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，，反之d0UudUu0把直流电变成了交流电——无源逆变。四个桥臂的切换频率就等于负载电压uo的频率换流方式器件换流：器件自身具有的自关断能力进行换流负载换流：输出电流超前于电压，超前的时间大于晶闸管的关断时间，强迫换流：由附加的换流回路产生脉冲，迫使晶闸管可靠关断。变频电路的换流方式第三节脉宽调制型变频器一、PWM型变频器的基本工作原理1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理2.三相桥式PWM变频电路的工作原理二、PWM变频电路的调制控制方式一、PWM型变频器的基本工作原理PWM基本原理:对逆变电路中的开关器件的通断进行有规律的控制，使输出端得到等幅不等宽的脉冲列，用这些脉冲列来代替正弦波。PWM控制的重要理论依据冲量（脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲（如图15-10所示），分别加在具有惯性环节的输入端，其输出响应波形基本相同。图15-10形状不同而冲量相同的各种脉冲图15-11PWM型变频器基本原理示意图PWM型变频器的基本工作原理PWM逆变器的输出电压为等幅不等宽的脉冲列0u异步电动机的输入电压iu按一定比例改变脉冲列中各脉冲的宽度，即可改变输入电压（与输出电压等效）的幅值。iu0u结论一、PWM型变频器的基本工作原理1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理图15-12单相桥式PWM变频电路原理图调制控制：负载上想得到的正弦波作为调制信号ur，把接受调制的等腰三角波作为载波信号uC。SPWM：调制信号ur为正弦波的脉冲宽度调制叫正弦波脉冲宽度调制。一、PWM型变频器的基本工作原理1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理1)单极性PWM控制方式工作原理电路图15-13单极性SPWM调制波形原理单极性脉宽调制：半个周期内载波信号uC是单极性的信号。原理分析1）当ur＞0时，V1通，V2断，在ur与uC正极性三角波交点处控制V4的通断。在ur＞uC各区间，控制V4为通态，则输出电压；在ur＜uC各区间，控制V4为断态，则=0，此时，负载电流可通过VD3和V1续流。0udouu2）当ur＜0时，V2通，V1断，在ur与uC负极性三角波交点处控制V3的通断。在ur＜uC各区间，控制V3为通态，则输出电压；在ur＞uC各区间，控制V3为断态，则uo=0，此时，负载电流可通过VD4和V2续流。douu电路波形一、PWM型变频器的基本工作原理1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理2)双极性PWM控制方式工作原理电路图15-14双极性SPWM调制波形双极性脉宽调制：载波信号uC是双极性的信号。原理原理分析逆变电路的输出的电压uo为两个方向变化等幅不等宽的脉冲列。控制方法ur＞uC的各区间，V1和V4导通，V2和V3关断，则。ur＜uC的各区间，V2和V3导通，V1和V4关断则，。douudouu结果电路波形2.三相桥式PWM变频电路的工作原理一、PWM型变频器的基本工作原理图15-15三相桥式PWM变频电路原理图波形原理三相桥式PWM变频电路的波形图15-16双极性SPWM调制波形电路原理原理分析调制信号ur的幅值和频率将决定输出电压uo的幅值和频率。只要＞uC，就导通V1，封锁V4，；只要＜uC，就封锁V1，导通V4，。2dNUUurUu2dNUUurUu以U相为例，其控制规律为：重要结论电路波形二、PWM变频电路的调制控制方式载波比：在PWM变频电路中，载波频率fC与调制信号频率fr之比。rcffN1.异步调制控制方式：控制过程中载波比N不是常数。2.同步调制控制方式:控制过程中保持N为常数。图15-17分级同步式控制方案第四节直流斩波一、直流斩波器的控制方式二、逆导晶闸管直流斩波器三、GTO（或GTR）直流斩波器将直流电源的恒定直流电压，通过电力电子器件的开关作用，变换成可调的直流电压的装置，称为直流斩波器。直流斩波的定义直流斩波电路原理Utui0Utud0CH断ud=0CH通ud=U一、直流斩波器的控制方式图15-18定频调宽调频调宽定宽调频二、逆导晶闸管直流斩波器逆导晶闸管AKAKKN200/100-8型号晶闸管额定电流200A二极管额定电流100A额定电压800V特点：正向压降小，关断时间短，高温特性好。无接线分布电感。符号等效电路图15-19a)VDdLMVT1VT2ULC逆导型斩波器图15-19b)接通＋_+_×振荡放电TCiidiCi振荡放电振荡放电波形图15-2000iωtωt-EEcuLuu三、GTO（或GTR）直流斩波器图15-21a)电路分析b)电路分析图15-21a)对GTO施加正脉冲时VT导通，直流电源向负载供电；当给VT门极负脉冲时，GTO便关断，直流电源停止向负载供电，负载电流经续流二极管VD续流。图15-21b)该电路主控开关是普通晶闸管VT1，VT2、C是为关断VT1而设的附加电路。当要关断VT1时，触发VT2导通，与之串联的辅助关断直流电源给VT1施加反向电压，使VT1关断，之后，再给VT2门极送入负脉冲使VT2关断。FU本章电子教案制作：申凤琴