匯報(bào)人：千庫(kù)網(wǎng)變頻器技術(shù)及綜合應(yīng)用InverterTechnologyandComprehensiveApplication負(fù)責(zé)人：周奎、王玲項(xiàng)目1.1變頻器的功能及電路結(jié)構(gòu)認(rèn)知1.1.2電力電子器件的認(rèn)知1.電力電子器件的概念和特征電力電子器件就是可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。在對(duì)電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成圖1-5所示的理想開關(guān)模型，它有三個(gè)電極，其中A和B代表開關(guān)的兩個(gè)主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極。它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時(shí)其電阻為零，斷態(tài)時(shí)其電阻無窮大。圖1-5電力電子器件的理想開關(guān)模型1.1.2電力電子器件的認(rèn)知1.電力電子器件的概念和特征同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：承受電壓和電流的能力強(qiáng)，是最重要的參數(shù)，大多數(shù)都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件在實(shí)際使用中，往往需要由信息電子電路來控制。為保證電力電子器件在工作中不至于因功率損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知2．電力電子器件的分類電力電子器件種類繁多，發(fā)展迅速，技術(shù)內(nèi)涵相當(dāng)豐富，電力電子器件是組成變頻器的關(guān)鍵器件，表1-1列出了當(dāng)代應(yīng)用的電力電子器件的類型。表1-1電力電子器件的類型1.1.2電力電子器件的認(rèn)知2．電力電子器件的分類類型器件名稱代號(hào)不可控器件電力二極管（PowerDiode）PD半控型器件晶閘管(Thyristor)或可控硅(SiliconControlledRectifier)T或SCR全控器件電流控制器件雙極型晶體管(BipolarTansistor)、電力晶體管(GrantTansistor)BJT、GTR門極可關(guān)斷晶體管(GateTurn-offThyristor)GTO晶體管電壓控制器件電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PowerMOSField-EffectTransistor)P-MOSFET絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarThyristor)IGBT集成門換流晶體管(InsulatedGateCommutatedThyristor)IGCTMOS控制晶體管(MOS-ControlledTransistor)MCT靜電感應(yīng)晶體管(StaticInductionTransistor)SIT靜電感應(yīng)晶閘管(StaticInductionThyristor)SITH電力電子模塊智能功率模塊(IntelligentPowerModule)IPM1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用（1）電力二極管（PD）電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣，具有單相導(dǎo)電性，電力二極管具有兩個(gè)電極（陽(yáng)極A和陰極K）圖1-6(a)為電力二極管的外形，從外形上看主要有螺栓型和平板型，圖1-6(b)為電力二極管的電氣圖形符號(hào)。圖1-6電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)(a)外形(b)電氣圖形符號(hào)1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用二極管的工作特性如表1-2所示。當(dāng)二極管兩個(gè)電極加上正向電壓，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通后二極管電極A和K之間相當(dāng)于一根導(dǎo)線，當(dāng)二極管兩個(gè)電極承受反向電壓時(shí)，二極管關(guān)斷。二極管電極A和K之間不通，其兩端電阻值無窮大。當(dāng)二極管反向電壓增加到反向不重復(fù)峰值電壓值(URSM)時(shí)，二極管將被擊穿損壞。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用狀態(tài)工作特性正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)（接近0）高阻態(tài)（近似∞）導(dǎo)通表1-2二極管的工作狀態(tài)和參數(shù)一覽表1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用電力二極管其主要類型有普通二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管。普通二極管又稱整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用（2）晶閘管（SCR）結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的外形有螺栓型和平板型兩種封裝，引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)連接端，圖1-7a）為晶閘管的外形；圖1-7b）為晶閘管的結(jié)構(gòu)；圖1-7c）為晶閘管的圖形符號(hào)。圖1-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a外形b結(jié)構(gòu)c電氣圖形符號(hào)1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用（2）晶閘管（SCR）晶閘管是一種具有單向?qū)щ娦院驼驅(qū)ǖ目煽仄骷?，圖1-8所示的電路是晶閘管構(gòu)成的指示燈工作電路，在該電路中，由電源Ea、白熾燈、晶閘管的陽(yáng)極和陰極組成晶閘管主電路；由電源Eg、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路，也稱觸發(fā)電路。圖1-8晶閘管導(dǎo)通試驗(yàn)電路圖1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用通過上述實(shí)驗(yàn)可知，晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：①晶閘管陽(yáng)極和陰極間加正向電壓。②晶閘管門極和陰極間也加正向電壓形成觸發(fā)電流。晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制極便失去作用，即使觸發(fā)信號(hào)消失，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)晶閘管關(guān)斷的條件：①陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下（維持電流IH是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流）。②將陽(yáng)極電源斷開或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間施加反向電壓。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用（2）晶閘管（SCR）應(yīng)用晶閘管作為一種開關(guān)元件，在高電壓、大電流條件下工作，被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中，是典型的小電流控制大電流的設(shè)備。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用①單相半波可控整流電路圖1-9a）所示是單相半波可控整流帶電阻性負(fù)載的電路，變壓器Tr起變換電壓和隔離的作用，其一次側(cè)和二次側(cè)電壓瞬時(shí)值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示。晶閘管是一種可控的單向?qū)щ娖骷?，根?jù)它的導(dǎo)通條件，晶閘管VT只有在電源的正半周承受正向電壓，同時(shí)當(dāng)wt=a時(shí)VT門極給予觸發(fā)信號(hào)ug，同時(shí)具備這兩個(gè)條件VT導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通以后，認(rèn)為通態(tài)壓降近似為零，因此電源電壓u2全部加在Rd上，輸出電壓ud=u2。在u2的負(fù)半周，VT承受反壓，一直處于反向阻斷狀態(tài)，u2全部加在VT兩端，輸出電壓ud=0。電路工作情況如圖1-9b）所示。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用①單相半波可控整流電路圖1-9單相半波可控整流1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用在單相相控整流電路中，定義晶閘管從承受正向電壓起到觸發(fā)導(dǎo)通之間的電角度a稱為控制角（或移相角），晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度稱為導(dǎo)通角，用θ表示。對(duì)于圖1-9a）所示的電路，若控制角為a，則晶閘管的導(dǎo)通角為：θ=π-a。根據(jù)波形圖1-9b），可求出整流輸出電壓平均值為：從上述公式中表明，只要改變控制角a（即改變觸發(fā)時(shí)刻），就可以改變整流輸出電壓的平均值，達(dá)到相控整流的目的。這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用②單相橋式相控整流電路單相半波相控整流電路因其性能較差，所以在實(shí)際中很少采用，在中小功率場(chǎng)合更多的是采用單相全控橋式整流電路。單相橋式整流電路帶電阻性負(fù)載的電路如圖1-10所示，其中Tr為整流變壓器，VT1、VT2、VT3、VT4組成a、b兩個(gè)橋臂，變壓器二次電壓u2接在a、b兩點(diǎn)，u2=U2msinwt，四只晶閘管組成整流橋。負(fù)載電阻是純電阻R。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用②單相橋式相控整流電路當(dāng)交流電源電壓u2進(jìn)入正半周時(shí)，兩個(gè)晶閘管VT1、VT4同時(shí)承受正向電壓，在wt=a時(shí)刻給VT1和VT4同時(shí)加觸發(fā)脈沖，則兩晶閘管立即觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓u2將通過VT1和VT4加在負(fù)載電阻R上，輸出電壓ud=u2，而此時(shí)VT2和VT3均承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)電源電壓u2降到零時(shí)，電流id也降為零，VT1和VT4自然關(guān)斷。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用②單相橋式相控整流電路當(dāng)交流電源電壓u2進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，兩個(gè)晶閘管VT2、VT3同時(shí)承受正向電壓，在wt=π+a時(shí)刻，給VT2和VT3同時(shí)加觸發(fā)脈沖，電流經(jīng)VT3、R、VT2、Tr二次側(cè)形成回路。在負(fù)載兩端獲得與正半周相同的波形的整流電壓和電流，在這期間VT1和VT4均承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。一個(gè)周期過后，VT1和VT4在wt=2π+a時(shí)刻又被觸發(fā)導(dǎo)通，如此循環(huán)。圖1-10給出了橋式整流電路的輸出電壓、電流和流過晶閘管電流的波形圖。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用由以上電路工作原理可知，在交流電源u2的正、負(fù)半周里，VT1、VT4和VT2、VT3兩組晶閘管輪流觸發(fā)導(dǎo)通，將交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流電。改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變a的大小，ud、id波形和平均值隨之改變。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用整流輸出電壓的平均值可按下式計(jì)算：由上式可知，Ud為最小值時(shí)a=1800，，Ud為最大值時(shí)a=00，所以單相橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)，a的移相范圍為00～1800。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用（3）電力場(chǎng)效應(yīng)管（PowerMOSFET）電力MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）是一種全控性器件，用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快，工作頻率高、但是電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。結(jié)構(gòu)與工作原理電力MOSFET有漏極D、源極S和柵極G三個(gè)極，它的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。圖1-11電力MOSFET的電氣圖形符號(hào)1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用結(jié)構(gòu)與工作原理漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零時(shí)，電力MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)。若在柵源極間加正向電壓UGS，并且使UGS大于UT（開啟電壓閥值電壓）時(shí)，電力MOSFET開通，漏極和源極之間開始導(dǎo)電。UGS超過UT越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用①在可調(diào)開關(guān)穩(wěn)壓電源方面，可使用P-MOSFET器件作為主開關(guān)功率器件可大幅度提高工作頻率，工作頻率一般在200～400kHz。頻率提高可使開關(guān)電源的體積減小，重量減輕，成本降低，效率提高。②將P-MOSFET作為功率變換器件。由于P-MOSFET器件可直接用集成電路的邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而且開關(guān)速度快，工作頻率高，大大改善了變換器的功能，因而在計(jì)算機(jī)接口電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。③將P-MOSFET作為高頻的主功率振蕩、放大器件，在高頻加熱、超聲波等設(shè)備中使用，具有高效、高頻、簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用（4）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為一種全控性器件，它既有功率MOSFET的高速交換功能（工作頻率高）又有雙極性晶體管的高電壓、大電流處理能力的新型元件。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor—IGBT或IGT）是GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等電路和電氣圖形符號(hào)如圖1-12所示。圖1-12IGBT簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a）簡(jiǎn)化等效電路b）電氣圖形符號(hào)1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的晶體管。驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，IGBT也是場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通后，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為一種全控性器件，它既有功率MOSFET的高速交換功能（工作頻率高）又有雙極性晶體管的高電壓、大電流處理能力的新型元件。在電力變換電路中，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷倪^程，我們稱為逆變。逆變電路主要是通過開關(guān)器件的通斷來實(shí)現(xiàn)電力變換的。開關(guān)器件必須得具備很好的通斷特性，所以逆變電路中，我們會(huì)選擇全控型電力電子器件組成逆變電路，下面我們來介紹一下IGBT構(gòu)成的逆變電路的工作原理。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用逆變電路的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路，首先以單相橋式逆變電路為例（如圖1-13所示）說明最基本的工作原理。S1～S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。圖1-13逆變電路及其波形舉例1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用①單相半橋電壓型逆變電路單相半橋電壓型逆變電路的電路結(jié)構(gòu)以及它的工作過程如圖1-14所示，直流電壓Ud加在2個(gè)串聯(lián)的容量足夠大的相同電容的兩端，并使得2個(gè)電容的連接點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)，即每個(gè)電容上的電壓為Ud/2。由2個(gè)導(dǎo)電臂交替工作使負(fù)載得到交變電壓和電流，每個(gè)導(dǎo)電臂由1個(gè)電力晶體管與1個(gè)反并聯(lián)二極管所組成。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用①單相半橋電壓型逆變電路電路工作時(shí)，2個(gè)電力晶體管V1、V2基極加交替正偏和反偏的信號(hào)，兩者互補(bǔ)導(dǎo)通與截止。若電路負(fù)載為感性，其工作波形如圖1-14b）所示，輸出電壓為矩形波，幅值為Um=Ud/2。負(fù)載電流io波形與負(fù)載阻抗角有關(guān)。V1或VD2導(dǎo)通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量。VD1或V2導(dǎo)通時(shí)，io和uo反向，電感中儲(chǔ)能向直流側(cè)反饋。其中VD1、VD2稱為反饋二極管，還使io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用①單相半橋電壓型逆變電路圖1-14單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)原理圖b)工作波形圖1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用②SPWM控制技術(shù)逆變電路輸出的是交流電，逆變電路中開關(guān)管的控制一般采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)，SPWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。這種代替等效關(guān)系源于采樣控制理論有這樣一個(gè)結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積，效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。例如圖1-15所示的4種窄脈沖形狀不同，但面積相同（假如都等于1）。當(dāng)它們分別加在同一慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。且脈沖越窄，其輸出差異越小。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用②SPWM控制技術(shù)圖1-15形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用②SPWM控制技術(shù)根據(jù)上述理論，分析一下正弦波如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替。圖1-16所示是將一個(gè)正弦半波分成N等份，每一份可看成是一個(gè)脈沖，很顯然這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等，脈沖頂部為曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。若把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖序列代替，并使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等份脈沖的中點(diǎn)重合，且使兩者的面積（沖量）相等，就可以得到圖1-16所示的脈沖序列，即PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。用同樣的方法，也可以得到正弦負(fù)半周的PWM波形。完整的正弦波用等效的PWM波形表示就稱為SPWM波形表示就稱為SPWM波形。1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用②SPWM控制技術(shù)圖1-16用PWM波代替正弦半波1.1.2電力電子器件的認(rèn)知3．典型電力電子器件及應(yīng)用應(yīng)用②SPWM控制技術(shù)因此，在給出了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出SPWM波形各脈沖寬度和間隔。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的SPWM波形。但這種計(jì)算非常繁瑣，而且當(dāng)正弦波的頻率、幅值等變化時(shí)，結(jié)果還要變化。較為實(shí)用的方法是采用載波，即把希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度呈線性關(guān)系，且左右對(duì)稱，當(dāng)它在任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形