1、1,第2章 功率半導(dǎo)體器件、應(yīng)用基礎(chǔ),(第二講),2,本章主要內(nèi)容,2.1開關(guān)控制和變換原理 2.1.1開關(guān)功率控制 2.1.2 功率變換 2.2器件物理基礎(chǔ)與晶閘管的額定值 2.2.1常用開關(guān)器件及分類 2.2.2 pnpn器件導(dǎo)通物理過程 2.3 晶閘管的主要特性 2.3.1晶閘管的斷態(tài)特性 2.3.2晶閘管的通態(tài)特性 2.3.3晶閘管的動(dòng)態(tài)特性,3,本節(jié)具體內(nèi)容： 簡要介紹開關(guān)控制和變換的基本原理,學(xué)習(xí)要點(diǎn)： 開關(guān)控制的基本原理 四種變換形式 開關(guān)變換中平均值、有效值、峰值及波形因子的概念,4,2.1開關(guān)控制和變換原理,2.1.1 開關(guān)功率控制 功率開關(guān)是功率控制的基本單元 效率負(fù)載上消

2、耗的功率與由電源提供的功率之比,5,2.1.1 開關(guān)功率控制, 負(fù)載上消耗功率 /總功率RL /(RLRV ),由晶體管控制,6,2.1.1 開關(guān)功率控制,開關(guān)只有兩種狀態(tài)：開態(tài) 斷態(tài) 負(fù)載上的電流： E /RL 0 開關(guān)上： 壓降0 漏電流 0,7,2.1.1 開關(guān)功率控制,如何實(shí)現(xiàn)？ 時(shí)間比率控制（Time Ratio Control）通過控制開態(tài)和斷態(tài)的時(shí)間以調(diào)整平均功率 時(shí)間比率控制是通過脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的 PWM（Pulse Width Modulation）,8,重要理論基礎(chǔ)面積等效原理,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。,2.1.1 開關(guān)功率控制,9

3、,正弦波脈寬調(diào)制原理,正弦波脈寬調(diào)制(SPWM) 等幅矩形脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化 用等效正弦波的、等幅不等寬的矩形脈寬作為控制器件通、斷的依據(jù) 通常采用三角波作載波得到PWM控制波形,2.1.1 開關(guān)功率控制,10,如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波,若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。,PWM控制的基本思想,11,2.1.1 開關(guān)功率控制,直流斬波原理,降壓式直流斬波電路（buck chopper）,12,保持開/關(guān)的周期T一定，讓開的時(shí)間Ton慢慢增加,2.1.1 開關(guān)功率控制,13,2.1.1 開關(guān)功率控制,電壓型無源逆變電路,單相半橋逆變電路,14,

4、2.1.1 開關(guān)功率控制,電壓型無源逆變電路,單相全橋逆變電路,15,單極性PWM控制方式（單相橋逆變）,在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。,ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)唷?當(dāng)uruc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud 。 當(dāng)uruc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0 。 ur負(fù)半周，請同學(xué)們自己分析。,2.1.1 開關(guān)功率控制,16,2.1.1 開關(guān)功率控制,SPWM是利用三角載波與正弦調(diào)制波進(jìn)行比較得到的，適合于模擬電路。不足是對直流電壓利用率低。 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)：在交流電機(jī)調(diào)速中提出了實(shí)現(xiàn)磁通軌跡控制思想，進(jìn)而發(fā)展產(chǎn)生了電壓空間矢量PWM，由于其物理概念清晰，算法簡單

5、，適合于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，直流電壓利用率高，電壓諧波小等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。,17,2.1.1 開關(guān)功率控制,電機(jī)最優(yōu)效率的實(shí)現(xiàn)-采用了先進(jìn)的算法來提高電機(jī)的運(yùn)行性能 解決方案：利用密集的數(shù)值計(jì)算來提高系統(tǒng)的性能，給定的通量結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生最大的力矩。 高性能DSP控制器可以實(shí)時(shí)完成轉(zhuǎn)子定位和速度計(jì)算，而無需進(jìn)行查表操作； DSP控制器的處理能力使得面向現(xiàn)場的控制(field-oriented control，F(xiàn)OC)成為可能 ； 基于同一種DSP控制器平臺的其它產(chǎn)品可以復(fù)用這些算法 。,矢量控制智能控制,18,2.1.1 開關(guān)功率控制,理想開關(guān)的條件：（半導(dǎo)體開關(guān)） VoN/E0 ioFF /IL 0

6、tS/T 0 其他：調(diào)節(jié)范圍 動(dòng)作延遲 信號靈敏 無誤動(dòng)作 壽命長 小型輕量,19,2.1.1開關(guān)功率控制,開關(guān)的功率損耗,開關(guān)內(nèi)部損耗 p=i.v,ts1從通到斷 ts2從斷到通,20,2.1.1 開關(guān)功率控制,總的平均功耗: P=IL.Von tON/T +E.iOFFtOFF/T +E.IL. 1. ts1/T + E.IL. 2. ts2/T 1 、 2 為開關(guān)軌跡決定的系數(shù)。 如果近似有P 0，則有RL /(RLRV )100,21,2.1.1 開關(guān)功率控制,假定：開關(guān)期間的電流、電壓為線性變化 V E(1t/tS) iIL.t/tS 則 pS V. i E.IL(1t/tS).t/

7、tS 一周期開通一次的過渡損耗: PS(平均)1/T0tsPSdt(1/6)E.IL.tS /T 此時(shí)軌跡系數(shù):1/6,22,2.1.1 開關(guān)功率控制,開關(guān)軌跡系數(shù),線性 感性負(fù)載 理想開關(guān),23,20世紀(jì)60年代以前的變換,2.1.2 功率變換,直流變換,24,2.1.2 功率變換,交流電壓、頻率變換,25,2.1.2 功率變換,基本開關(guān)變換電路,三種工況： S1S4導(dǎo)通、S2S3斷開，e2=e1 S2S3導(dǎo)通、 S1S4斷開，e2= e1 S1S2導(dǎo)通（或S3S4導(dǎo)通） S3S4斷開（或S1S2斷開） e2=0 （感性負(fù)載則回路中有電流）,26,2.1.2 功率變換,交流直流：正變換裝置（

8、又稱為整流裝置） 交流交流：交流功率調(diào)整裝置 頻率變換裝置（變頻器） 直流交流：逆變換裝置（又稱逆變器） 直流直流：直流變換裝置（間接式；直接式斬波器）,四種變換形式,27,2.1.2 功率變換,正變換,28,2.1.2 功率變換,逆變換,29,2.1.2 功率變換,變頻,30,2.1.2 功率變換,額定電流的定義：,各種器件面臨不同的應(yīng)用、不同工況，有不同的定義：直流值，峰值，有效值，可關(guān)斷值,31,2.1.2 功率變換,允許通過器件的電流 在標(biāo)準(zhǔn)正弦半波下，若延遲角=0，定義有： 通態(tài)平均正向電流 IT=1/20IM sint d(t)=IM / 有效值電流(均方根電流) I= IM /2,32,2.1.2 功率變換,任意波形下（非正弦波）電流的平均值、有效值 定義波形因子 Kf = I/ IT 正弦波的Kf = / 2 =1.57 根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則，將非正弦波電流的有效值I 折合成等效的正弦半波電流平均值來選擇晶閘管額定值。 非正弦波下允許通過的電流平均值Id I= Id.Kf=1.57 IT 得到： Id1.57 IT / Kf 表明:額定值100的晶閘管只有在全導(dǎo)通情況下才能通過100A的電流,33,2.1.2 功率變換,例：1.求圖示電流波形下的電流平均值、有效值及波形系數(shù)； 2.選用KP100型器件，不考