三相电压型逆变器课程设计

1、三相电压型逆变器电力电子器件的发展：1.概述：1957年可控硅（晶闸管）的问世，为半导体器件应用于强电领域的自动 控制迈出了重要的一步，电力电子开始登上现代电气传动技术舞台，这标 志着电力电子技术的诞生。20世纪60年代初已开始使用电力电子这个名 词，进入70年代晶闸管开始派生各种系列产品，普通晶闸管由于其不能自 关断的特点，属于半控型器件，被称作第一代电力电子器件。随着理论研 究和工艺水平的不断提高，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极性晶体 管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件 迅速发展，被称作第二代电力电子器件。80年代后期，以绝缘栅极双极型 晶

2、体管（IGBT）为代表的复合型第三代电力电子器件异军突起，而进入90年代电力电子器件开始朝着智能化、功率集成化发展，这代表了电力电子 技术发展的一个重要方向电子技术被认为是现代科技发展的主力军，电力电子就是电力电子学， 又称功率电子学，是利用电子技术对电力机械或电力装置进行系统控制的 一门技术性学科，主要研究电力的处理和变换，服务于电能的产生、输送、 变换和控制。（电力电子的发展动向）电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力 电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。 电力电子器件（Power ElectronicDevice

3、）又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控创电路中的大功率(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子 器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件(Electron Device)和半导体 器件(Semiconductor Device)两类。2.发展：A.整流管：整流管是电力电子器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件。目前主要有普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种类型。电力整流管在改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面发挥着非常重要的作用。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有M

4、PS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。它们的 通态压降为IV左右，反向恢复时间为PIN整流管的1/2，反向恢复峰值电 流为PIN整流管的1/3。B.晶闸管：自1957年美国通用电气公司GE研制出第一个晶闸管开始，其结构 的改进和工艺的改革，为新器件开发研制奠定了基础，其后派生出各种系 列产品。1964年，GE公司成功开发双向晶闸管，将其应用于调光和马达 控制；1965年，小功率光触发晶闸管问世，为其后出现的光耦合器打下了 基础；60年代后期，出现了大功率逆变晶闸管，成为当时逆变电路的基本 元件；逆导晶闸管和非对称晶闸管于1974年研制完成。C.门极可关断晶闸管：GTO可达到晶闸

5、管相同水平的电压、电流等级，工作频率也可扩展到1kHz。1964年，美国第一次试制成功了0.5kV/10A的GTO。自70年 代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、25OOV/I000A、4500V/2400A |的产品，目前已达到9kV/25kA/0.8kHz及6 kV/6kA/1kHz的水平。GTO包括对称、非对称和逆导三种类型。非对称GTO相对于对称GTO，具有通态压降小、抗浪涌 电流能力强、易于提高耐压能力（3000V以上）的特点。逆导型GTO，由于 是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，因此不能承 受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中

6、。在当前各种自关断器件中，GTO容量最大，工作频率最低，通态压降大、/dvdt及/didt耐量低，需要庞大的吸收电路。但其在大功率电力牵引驱动中有明显的优势，因此它 在中高压领域中必将占有一席之地。D.大功率晶体管：GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，20世纪70年代中 期，双极性晶体管（BJT）扩展到高功率领域，产生大功率晶体管（GTR）,它 由基极（B）电流bi的正、负控制集电极（C）和发射极（E）的通、断，也属全控 型器件。由于能承受上千伏电压，具有大的电流密度和低的通态压降，曾 经风靡一时，在20世纪七八十年代成为逆交器、变频器等电力电子装置的 主导功率开关器件，开关频率可达5

7、kHz。但是GTR存在许多不足：对驱 动电流波形有一定要求，驱动电路较复杂；存在局部热点引起的二次击穿现象，安全工作区（SOA）小；通态损耗和关断时存储时间（st）存在矛盾， 要前者小必须工作于深饱和，而如深饱和，st便长，既影响开关频率，又 增加关断损耗大；承受/dvdt及/didt能力低;单管电流放大倍数小，为增加放大倍数，联成达林顿电路又使管压降增加等等，而为改善性能(抑制/dvdt及/didt，改变感性负载时的动态负载线使在SOA内，减小动态损耗)， 运用时必须加缓冲电路。目前的器件水平约为：1800V/800A，2kHz；1400V/600A，2kHz；600V/3A，100kHz。

8、E.功率MOSFET:功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来 控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小； 仅由多数载流子导电，无少子存储效应，咼频特性好，工作频率咼达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电 源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破 坏性强。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适 宜运用于大功率装置。顺便强调一下，由于MOSFET管内阻与电压成比例， 它在要求低压(3.31V)电源的电脑和通信等领域则可大显身手，目前MOSFET的导通电阻可减小至610m?，

9、主要用于高频开关电源的同步电 流。F.绝缘栅双极晶体管(IGBT)20世纪80年代绝缘栅双极晶体管是一种复合型器件，综合了少子 器件(GTO、G T R)和多子器件(MOSFET)各自的优良特性，既有输入阻抗 高，开关速度快，驱动电路简单的优点，又有输出电流密度大，通态压降 下，电压耐量高的长处。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功 率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳

10、定性好的优点于 一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特 别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，去卩明显高于GTR；IGBT的通态压降 同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。IGBT早已做到1800V/800A，10kHz;1200V/600A，20kHz的商品化，600V/100A的硬开关工作频率可

11、达150kHz。高压IGBT已有3300V/1200A和4500V/900A的器件。由于IGBT的综合优良性能，事实上已取代了GTR，现在成为中、小功率逆变器、变频器等成为了电力电子装置的主流 器件。目前，已经研制出的高功率沟槽栅结构IGBT(Tre nchIGBT)模块是高耐压大电流IGBT通常采用的结构，它避免了大电流IGBT模块内部大量 的电极引线，提高了可靠性和减少了引线电感其缺点是芯片面积利用率下 降所以这种平板结构的高压大电流IGBT模块将在高压、大功率变流器中 获得广泛应用。3.软开关与硬开关：硬开关：1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时， 电压上

12、升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加2.感性关断电尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开 关频率愈咼，关断愈快，该感应电压愈咼。此电压加在开关器件两端，易 造成器件击穿。3.容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器 件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电 流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存 在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的d

13、i/dt和dv/dt增大，从而导致 电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。软开关：上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。近年来开展的软开关技术 研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。和硬开关工作不同，理想的 软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近 似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的 软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近 似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时， 二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。4.应用与展望：电力电子应用领域十分广泛，用

14、电领域中的电力电子技术有电动机的优化运行、高能量密度的电源应用；信息领域中电力电子技术为信息技术提供先进的电源和运动控制系统，日益成为信息产品中不可缺少的一部分；发电领域中的电力电子技术有发电机的直流励磁、水轮发电机的变频励磁、环保型能源发电；储能领域中的电力电子技术有蓄电池与电容器组储能、抽水储能发电、超导线圈的磁场储能；输电领域中的电力电子技术有动态 无功功率补偿（SVC）技术、高压直流输电（HVDCT）技术、消除谐波改 善电网供电品质等。近年来，电力电子的环境及产业都有了很大的变化。 整体而言，电力电子技术的发展在许多应用领域上获得了认同。然而，任何器件的发展， 总是决定于两个因数， 一

15、是应用的需要， 一是器件本身在 理论上和工艺上的突破。电力电子器件的发展也是这样，它大致有如下几 个方面：A.现有器件扩大容量提高性能。例如GTO，采用大直径均匀技术和全 压接式结构，通过电子寿命控制，折衷通态电压和关断损耗二者之间矛盾， 可望开发出12kV/10kA的器件。例如IGBT,探索内部功率引线尽量由超 声压焊或改压接式结构，以进一步提高工作可靠性。B.开发新的器件。一是根据器件本身的特点提出。例如MOS门控晶闸管（MCT），虽经十几年的研制，由于结构、工艺复杂，合格率低，成本高，没有达到期望的4.5kV/2kA的水平而暂被搁置，但有望具有MOS管优良 的开关特性和晶闸管非常低的通态

16、压降，并易于得到高的耐压，仍可能继 续研制。C.是为了满足一些新的应用需要。例如为适用于传递极强的峰值功率（数兆瓦）、极短的持续时间（数百纳秒）的放电闭合开关应用场合，如激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器需要，提出一种脉冲功 率闭合开关晶闸管（PPCST），它能在数千伏的高压下快速开通，不需要放电 电极，具有很长的使用寿命，体积小，价格较低，可望取代目前尚在应用 的高压离子闸流管、引燃管，火花间隙开关或真空开关等。D.走集成化之路。经历标准模块、智能模块，现在又发展到用户专用功率模块（ASPM）阶段。ASPM是把一台（套）电力电子装置（系统）的所有硬 件尽量以芯片形式封装在一

17、个模块内。这样，装置（或系统）的体积达到最小, 所有引线减至最少，寄生电感、电容降到最低，可靠性大为提高。它将有 助于实现电能变换和信息处理的集成化和高频化。E.寻找新材料。至今，许多实用的电力电子器件均是由硅材料制成的， 它们已发展得相当成熟。为了进一步实现对理想功率器件特性的追求，人 们逐渐转向对新型半导体材料制作新型半导体功率器件的探求，近年来还 出现了很多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化傢（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）及锗化硅（SiGe）等。由它们作为基础材料制成的电力电 子器件正不断涌现。.逆变器简述：1.逆变器概述及其工作原理：逆变器（inverter）是把

18、直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一 般为220V50HZ正弦或方波）。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC） 转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广 泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。简单逆变器的工作原理如下所述。通过一个震荡芯片，或者特定的电 路，控制着震荡信号输出，比如输出50HZ信号，然后这个信号通过放大， 推动MOS管场效应管或晶体闸管不断开关，这样直流电输入之后，经过 这个MOS管的开关动作，就形成一定的交流特性，经过修正电路修正， 就可以得到类似电网

19、上的那种正弦波交流，然后送入一个变压器，这个变 压器就是工频变压器，他是220V to 24V的变压器，即输入220V的话输 出就是24V，输入24V输出则为220V，其实就是一般的24V变压器。 然后变压器输出，输出后再送到稳压电路，保护电路，送给负载使用。2.逆变器发展历史：从20世纪后期19世纪通过的中间，直流到交流电源转换为完成使用 旋转转换器或电动发电机组（镁套）。在20世纪初真空管和充气管开始被 用于逆变器的开关电路研究。 所用的管型最广泛的是闸流管。从上世纪90年代初到目前为止，风行于国内市场的家用逆变电源，经 历了多次改变。最初的逆变电源为自激推挽饱和式变换器，两只推挽开关 管

20、靠变压器的磁饱和，或开关管的相对饱和进行换向。此类原始的饱和式 变换器电路，效率低，损耗大，且因开关管的截止时间延迟，产生两管共 态导通几乎是必然的，因而可靠性极差。其后，某些小生产厂又生产采用 分立件组装，由多谐振荡器驱动的它激式逆变电源。它激式变换器开关管 靠驱动脉冲控制换向，“饱和”形成的损耗有所降低，但共态导通现象仍未 得到有效抑制，击穿开关管仍难以避免。上述两类逆变电源均利用DC/AC变换器的基本电路，产生波形接近矩形波的交变电压输出。目前的逆变器如果直观其电路结构，无一例外地采用开关电源专用双 端驱动IC组成它激式逆变电路。此类驱动集成电路都具有几乎相同的功能 方框图，只是具体组成

21、有差别。由于设计用于大功率开关电源驱动器，IC内部除设有两路时序不同的驱动输出外，还有死区时间设定电路，PWM稳压电路和开关电流控制电路，由其组成逆变电源，不仅效率、可靠性大为 提高，功能也更为完善。大功率变换器（包括逆变器）的电路结构无一例外采用推挽、半桥或 桥式开关电路。用于中、小功率DC/AC逆变DC供电为蓄电池，显然，采 用串联供电的半桥式或桥式电路是不适宜的。一般采用饱和压降较小的锗 大功率管作推挽开关（例如常见UPS电源中的MJ11033），在12V24V供 电下求得较高的效率。如果说自激式变换器属第一代产品，那么，第二代 产品应属它激驱动的双极型开关管变换器（原有UPS大多为这种

22、电路。第二代产品效率、可靠性远高过第一代产品，但也存在着固有的弱点。为 了将12V直流变成220V交变电压，且同时得到一定的输出功率，首先开 关管的电流必须足够大。例如Aixcom生产的变换器，输出功率为200W时，要求开关管BVceo为40V.Icm40A如按第二代产品的方式采用 双极型开关管时，由于大功率管HFE极少超过20,要求其基极驱动电流必 须在2A以上，以致驱动IC的输出需经过至少三级放大，才能满足需要（例如UPS600中，由中功率管8050、大功率管TIP41C作驱动放大器， 驱动4只MJ4502），显然使电路复杂化，调试也极困难。在此基础上出现了第三代交换器，而此类产品正以极快

23、的速度普及于变换器、开关电源中。Aixcom公司开发的汽车逆变器，可认为是此类产品的典型应用。第三代开关变换器基于MOSFET管的电压控制特性进行工作, 理论上说这种加强型绝缘栅场效应管无需驱动功率，因此不存在驱动电流 的多次放大，驱动IC只要使MOS绝缘栅充电过程中输出一定的脉冲幅度，即可使开关管导通，然而其栅极并不消耗功率。开关管导通后，绝缘栅形 成的电容又在脉冲下降为低电平时通过驱动IC放大形成灌电流。如此一来, 不仅变换器的电路极为简单，而且MOSFET管有电流自动分配功能，可以 并联运用而无需加入均流电阻。三.电压型逆变器:Q - *亠* - *-备潮21三4!电血帳邃覚电TIS6采

24、用GTO、GTR、IGBT、MOSFET等自关断器件，D1D6是与S1S6反并联的二极管，其作用是为感性负载提供续流回路。图中L和R为负载相电感和相电阻。电路中当控制信号为三相互差120。的方波信号 时，可以控制每个开关导通180（180。导电型）或120（120。导电型）。相邻两个功率元件的导通时间互差60三相电压源型方波逆变器驱动波形四.交流逆变器：首先是将交流电变为直流电。然后用电子元件对直流电进行开关。变 为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置， 使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内 可调。变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术

25、是现代电力传动 技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到 实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小, 运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的 传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶 金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、 平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。1.整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单 独的一块整流模块2.平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑

26、制电压波动采用电 感和电容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而 言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3.控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从 而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成：频率、电压的“运算电路”，主电路 的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制 信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控 制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式4逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变

27、换为所要频率的 交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从 而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120。电角度的三相交流电 压。五.逆变电路：1.无源逆变电路工作原理：无源逆变：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术上图中单相桥式逆变电路工作原理：开关T1、T4闭合，T2、T3断开：uO=Ud；开关T1、T4断开，T2、T3闭合：uO=-Ud;当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时， 则在电阻R上获得 如图424(b)

28、所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通 过滤波器滤波获得。图4.2.1(a)中主电路开关T1T4， 它实际是各种半导体开关器件的一 种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管(GTO)、 功率晶体管(GTR)、 功率场效应晶体管(MOSFET)、 绝缘栅晶 体管(IGBT)。2.电压型半桥逆变电路：电压型逆变电路半桥逆变电路结构及波形：它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极 管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接

29、在A、0两点间T1和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。电压型半桥逆变电路在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周 反偏，且互补。若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通,截止，则uO=Ud/2。t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信 于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，于是D2导通续流，uO=Ud /2。t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有uO=Ud /2。在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性 负载中的电流i。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有uO=Ud/2

30、;t5时刻i。降至零，T1导通，uO=Ud/2号。由g 甌t悦載电肮域壬电压型半桥逆变电路波形3.电压型单相全桥逆变电路：电路工作过程：全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构 成一对桥臂,T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之 亦然，两对桥臂各交替导通180纯电阻负载时：输出方波电压瞬时值：IiiL h t i K动IIipIT I*4U,u0-艺 -sin / ex输出方波电压有效值:基波分量有效值:同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆

31、变电路的两倍。电压型单相全桥逆变电路图何筍人啄ift施谁电压型单相全桥逆变电路电压、电流波形图六.电压型三相逆变电路：1.工作过程：电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180导电型，即每个桥臂的导电角为180，同一相上下桥臂交替导电的纵向换流方式，各相开始导 电的时间依次相差120在一个周期内，6个开关管触发导通的次序为T1T2T3T4T5T6依次相隔60。，任一时刻均有三个管子同时 导通，导通的组合顺序为T1T2T3，T2T3T4，T3T4T5,T4T5T6，T5T6T1，T6T仃2，每种组合工作60电压型三相桥式逆变电路2.驱动电路：由于三相桥式电压型逆变电路中采用的IJBT管，它在使用的时候需要 驱动电路，才能使IGBT管子正常地开通和关断。IGBT的驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT