張碩北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院電傳動(dòng)課題組

功率電子與變換技術(shù)目錄CONTENTS1功率半導(dǎo)體器件2整流技術(shù)3逆變技術(shù)目錄CONTENTS1功率半導(dǎo)體器件金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）1.1隨著半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的不斷發(fā)展，對(duì)電壓、電流、功率以及頻率進(jìn)行控制的成本不斷降低。同時(shí)，隨著集成電路、微處理器在控制電路中的使用，控制的精度大大提高。功率半導(dǎo)體器件如金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在永磁同步電機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，本節(jié)重點(diǎn)描述這兩種功率半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和工作原理。金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）1.11.MOSFET的結(jié)構(gòu)與類型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET）是一類只需低電壓即可控制開通、關(guān)斷的場效應(yīng)晶體管。主要由三個(gè)電極組成：源極（Source）、漏極（Drain）和柵極（Gate）。其基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)半導(dǎo)體基底，其中包含一個(gè)通過電壓控制的導(dǎo)電溝道。根據(jù)溝道中主要載流子的類型，溝道可以是N型的（以電子為主要載流子）或P型的（以空穴為主要載流子）。金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）1.12.MOSFET的工作原理MOSFET是一種可控的電流開關(guān)，通過調(diào)整在門極上施加的電壓，可以控制導(dǎo)電通道的電阻，從而調(diào)節(jié)通過MOSFET的電流。當(dāng)沒有在門極上施加電壓時(shí)，絕緣層中的載流子無法通過，形成一個(gè)絕緣層。這時(shí)，源極和漏極之間沒有電流流動(dòng)，MOSFET處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)在金屬門極上施加正電壓時(shí)，會(huì)在絕緣層下形成一個(gè)電場。這個(gè)電場會(huì)影響絕緣層下的半導(dǎo)體，導(dǎo)致半導(dǎo)體中的自由電子或空穴被推向絕緣層中。從而使MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）1.2絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）具有小的輸出電流，又具有較低飽和壓降和高耐壓值特點(diǎn)。1．IGBT的結(jié)構(gòu)與類型IGBT的基本結(jié)構(gòu)由三個(gè)主要區(qū)域組成：N型溝道，P型底層，以及在兩者之間的氧化物絕緣層。N型溝道和P型底層形成了晶體管的主體，而氧化物絕緣層則在柵極和溝道之間形成絕緣隔離。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）1.22．IGBT的基本工作原理導(dǎo)通階段：IGBT的導(dǎo)通過程始于柵極施加正電壓時(shí)。這個(gè)正電壓擊穿了柵極和N型溝道之間的氧化物絕緣層，形成電子注入?yún)^(qū)域。載流子的存在形成了一個(gè)導(dǎo)電通道，允許電流自源極流向漏極，使得器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）1.22．IGBT的基本工作原理截止階段：當(dāng)柵極的電壓變?yōu)樨?fù)值或接近零時(shí)，柵極和N型溝道之間的絕緣層恢復(fù)其正常狀態(tài)，電子注入?yún)^(qū)域消失。無法再形成有效的導(dǎo)電通道，導(dǎo)致電流的截止。在這個(gè)狀態(tài)下，IGBT處于高阻態(tài)，不再允許電流流動(dòng)。目錄CONTENTS2整流技術(shù)單相橋式二極管電容濾波整流電路2.11．電路結(jié)構(gòu)兩個(gè)橋臂的四個(gè)整流二極管VD1、VD2、VD3和VD4；電容器C，連接在整流電路的輸出端，用于濾波，它充當(dāng)儲(chǔ)能裝置；負(fù)載電阻R，電阻模擬了實(shí)際應(yīng)用中的負(fù)載。單相橋式二極管電容濾波整流電路結(jié)構(gòu)單相橋式二極管電容濾波整流電路2.12．工作原理（1）正半周：在正半周，當(dāng)輸入電壓Us的極性使得VD1和VD4導(dǎo)通，電流通過它們流向電容器C和負(fù)載R。電容器C開始充電，同時(shí)電流通過負(fù)載R，為負(fù)載提供電能。（2）負(fù)半周：在負(fù)半周，當(dāng)輸入電壓Us的極性反轉(zhuǎn)，使得VD2和VD3導(dǎo)通，電流通過它們流向電容器C和負(fù)載R。電容器C繼續(xù)充電，而負(fù)載R仍然接收電能。單相橋式二極管電容濾波整流電路2.12．工作原理（3）電容濾波效果：由于電容器C的存在，它充當(dāng)了一個(gè)能夠存儲(chǔ)電荷并平滑電流的元件。這有助于減小輸出電壓的脈動(dòng)，提供相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓給負(fù)載R。（4）負(fù)載工作：負(fù)載R在整個(gè)過程中都接收到相對(duì)平穩(wěn)的電能，這是通過整流和電容濾波操作實(shí)現(xiàn)的。單相橋式二極管電容濾波整流電路2.12．工作原理假設(shè)交流電壓Us為幅值Ud的單相正弦交流電壓源，那么經(jīng)過單相橋式整流器的電壓波形和濾波后的電壓波形如圖所示。整流濾波電壓整流電壓交流電源電壓三相橋式二極管電容濾波整流電路2.21.電路結(jié)構(gòu)包括六個(gè)整流二極管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5和VD6，構(gòu)成一個(gè)橋式整流電路，允許電流單向流動(dòng)；電容器C，用于平滑輸出電壓；負(fù)載電阻R。整個(gè)電路的輸入電壓為三相對(duì)稱電壓源UA、UB、UC，是一組相位差120°的對(duì)稱交流電壓。三相橋式二極管電容濾波整流電路結(jié)構(gòu)三相橋式二極管電容濾波整流電路2.22．工作原理（1）每相相電壓的極大值和極小值的區(qū)間各占120°。在整個(gè)電壓周期內(nèi)，每個(gè)相的電壓都經(jīng)歷了從零到峰值再到零的變化，而且每兩個(gè)相電壓之間的相位差為120°。（2）在三相橋式整流電路中，當(dāng)某相相電壓處于極大值區(qū)間時(shí)，該相電壓連接橋臂的共陰極二極管導(dǎo)通；而在該相相電壓處于極小值區(qū)間時(shí)，該相電壓連接橋臂的共陽極二極管導(dǎo)通。三相橋式二極管電容濾波整流電路2.22．工作原理（3）在整個(gè)電壓周期內(nèi)，6六只個(gè)功率二極管按照指定的順序?qū)?，?dǎo)通次序?yàn)閂D5、VD6→VD6、VD1→VD1、VD2→VD2、VD3→VD3、VD4→VD4、VD5。確保電流的連續(xù)性和穩(wěn)定性。（4）負(fù)載R在濾波器減小電流脈動(dòng)的作用下，獲得了相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)載電壓。這意味著電容濾波整流電路成功減小了電流的脈動(dòng)成分。三相橋式二極管電容濾波整流電路2.22．工作原理假設(shè)三相對(duì)稱電壓源Us的每相電壓為是幅值為Ud的正弦波，整流二極管的導(dǎo)通壓降為0，那么經(jīng)過三相橋式整流器的電壓波形和濾波后的電壓波形如圖所示。整流濾波電壓整流電壓三相交流電源電壓目錄CONTENTS3逆變技術(shù)脈沖寬度調(diào)制（PWM）原理3.1脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）是一種電子技術(shù)，通過調(diào)整脈沖信號(hào)的寬度來實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的模擬。允許系統(tǒng)高效模擬和控制模擬信號(hào)，為各種應(yīng)用提供了精確的電能轉(zhuǎn)換和控制手段。1．PWM信號(hào)的類型及其占空比PWM信號(hào)是一串頻率和幅度固定而脈沖寬度變化的脈沖。在PWM周期內(nèi)，每個(gè)脈沖的幅度是固定不變的，但是脈沖的寬度隨著調(diào)制信號(hào)的不同而發(fā)生變化。脈沖寬度調(diào)制（PWM）原理3.1存在兩種基本類型的PWM信號(hào)，即中心對(duì)稱型和邊沿對(duì)稱型。將PWM信號(hào)的脈沖寬度與其周期之比，稱為PWM信號(hào)的占空比，即中心對(duì)稱型PWM信號(hào)和邊沿對(duì)稱型PWM信號(hào)脈沖寬度調(diào)制（PWM）原理3.1面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖對(duì)慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。正弦波脈沖2.正弦波PWM（SPWM）發(fā)生原理SPWM脈沖單相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.21.全橋式單相電壓源逆變器的電路結(jié)構(gòu)同一橋臂的兩個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成橋臂的直通而導(dǎo)致直流電源短路。全橋式單相電壓源逆變器電路單相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.22.兩個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)的工作狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)負(fù)載電壓導(dǎo)通截止uoS1、S4S2、S3UdS2、S3S1、S4-UdS1、S3S2、S40S2、S4S1、S30單相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.23.雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)單相雙極性SPWM技術(shù)的脈寬調(diào)制原理如圖所示。載波信號(hào)uc為等腰三角波，調(diào)制信號(hào)ur為正弦波。信號(hào)波和載波單相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.23.雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)當(dāng)調(diào)制信號(hào)大于載波信號(hào)時(shí)，即ur＞uc，給S1、S4導(dǎo)通信號(hào)，給S2、S3關(guān)斷信號(hào)，若io＞0，則S1、S4通，若io＜0，則VD1、VD4通，此時(shí)輸出電壓uo=Ud。信號(hào)波和載波單相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.23.雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)當(dāng)調(diào)制信號(hào)小于載波信號(hào)時(shí)，即ur＜uc，給S2、S3導(dǎo)通信號(hào)，給S1、S4關(guān)斷信號(hào)，若io＞0，則VD2、VD3通，若io＜0，則S2、S3通，此時(shí)輸出電壓uo=-Ud。輸出電壓波形如圖所示。輸出電壓波形三相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.31.全橋式單相電壓源逆變器的電路結(jié)構(gòu)三相電壓源逆變器的標(biāo)準(zhǔn)電路如圖所示。它由直流輸入濾波電容和三個(gè)兩開關(guān)串聯(lián)的橋臂組成，每個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)了一個(gè)用于感性負(fù)載續(xù)流的反向二極管。全橋式三相電壓源逆變器電路三相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.32.功率半導(dǎo)體開關(guān)的工作狀態(tài)使用三相電壓源逆變器時(shí)，共存在8個(gè)有效的開關(guān)模式。三相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.33.三相SPWM技術(shù)（1）三相控制信號(hào)共用一1個(gè)三角波載波信號(hào)uc。（2）調(diào)制信號(hào)為三3個(gè)相位依次差120°的正弦波ur1、ur2和ur3，載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)如圖所示。信號(hào)波和載波三相電壓源逆變器工作原理及其脈沖寬度調(diào)制技術(shù)3.33.三相SPWM技術(shù)（3）U、V、W各三相各自功率開關(guān)的控制規(guī)律相同，以U相為例：當(dāng)ur1＞uc時(shí)，上橋臂S5導(dǎo)通，下橋臂S6關(guān)斷，則uUO=Ud/2；