（控制科学与工程专业论文）起重机能量回馈系统的研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：叠堑=日期：卫! ! ：羔：堡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：豸p 吃 导师( 签名) ： i 巩日期：沙c f 要彤 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 世界各国对能源的需求很大，如果能节约地使用能源，那么耗尽有限能源 的速度就会放慢，所以合理使用现有能源尤为重要。在现有能源利用中，例如 起重机械设备，其处于动力负载工况下( 位能性负载下放或者平移机构紧急减 速、顺风运行等) 时，异步电机将处于再生发电状态，即产生再生能量。大多 数情况下是通过能耗的方式将其消耗掉，造成了极大的浪费。另一种方式是回 馈，即将再生能量回送到交流电网中。目前现行的的成熟技术主要是基于全控 型功率开关器件( i g b t ) 的电能回馈装置，但无论是将其整合在变频器内部， 还是成为独立的单元，成本都是很高的。 为了降低成本，本文提出了一种简单而经济的再生能量回馈系统拓扑结构， 并采用正弦脉宽调制( s p w m ) 技术对该系统进行控制。该拓扑结构独立于起重 机变频系统，主要包括由半控型功率器件晶闸管组成的有源逆变桥和连接于变 频器直流母线与有源逆变桥直流侧之间的辅助设施，其中辅助部分由一只电感 l 1 、一只二极管d 和一只全控型功率器件t r 组成。电感是功率传递的媒介， 二极管起续流作用，全控型功率器件t r 控制回馈能量传递的切断与开通。该系 统工作流程包括储能和释能两个环节。储能环节由直流母线、全控型功率器件 t r 、电感l i 和二极管d 组成。释能环节由电感l 1 、二极管d 、有源逆变桥和 交流电网组成。当t r 导通时，电感储能，同时封锁所有晶闸管；当t r 关断时， 相对应的晶闸管导通，储存在电感上的能量通过有源逆变桥传递到交流网侧。 该系统通过软件p s i m 对其进行仿真，验证了其原理的可行性，并对由此产生的 谐波进行了简要分析。 关键词：起重机械，能量回馈，晶闸管，s p w m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sag r e a dd e m a n df o re n e r g yi nt h ew o r l d i fe n e r g yi su s e de c o n o m i c a l l y , w e c a l lc e r t a i n l ys l o wd o w nt h ep r e s e n td r a i no nt h el i m i t e de n e r g ys u p p l y , s oi ti s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt ou s ee n e r g yr e a s o n a b l y i ti si np o w e r l o a dc o n d i t i o n s ( 1 0 a d p o t e n t i a lo fd e c e n t r a l i z e dt r a n s l a t i o na g e n c i e so re m e r g e n c yd e c e l e r a t i o n , w i n dr u n ， e t c ) ，t h ei n d u c t i o nm o t o rw i l lb ei nr e n e w a b l ep o w e rg e n e r a t i o ns t a t e ，t h a tp r o d u c e r e n e w a b l ee n e r g y , s u c ha sl i f t i n ge q u i p m e n ti nt h ec u r r e n te n e r g yu s e i nm o s tc a s e s ， i ti st h ew a yt h r o u g hi t se n e r g yc o n s u m e d ，c a u s i n gg r e a tw a s t e a n o t h e rw a yi st o f e e d b a c ka b o u tr e n e w a b l ee n e r g yb a c kt ot h ea cg r i d a tp r e s e n t ，i ti sm a i n l yb a s e d o nf u l l - c o n t r o l l e dp o w e rs w i t c h i n gd e v i c e ( i g b t ) i nt h ee n e r g yf e e d b a c kd e v i c e s ，b u t w h e t h e ri ti st ob ei n t e g r a t e di n t ot h ei n t e r n a ld r i v e ，o rb e c o m ea l li n d e p e n d e n tu n i t ，i t i sl l i g ho f t h ec o s t t or e d u c ec o s t s ，t h i st h e s i sp r e s e n t sas i m p l ea n de c o n o m i c a lr e n e w a b l ee n e r g y f e e d b a c ks y s t e mt o p o l o g y , a n du s i n gs i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) t e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h es y s t e m t h ei n v e r t e rt o p o l o g yi si n d e p e n d e n to ft h ec r a n e s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h eh a l f - c o n t r o l l e dt h y r i s t o rt y p ep o w e rd e v i c ec o n s i s t i n go f a c t i v ei n v e r t e rb r i d g ea n dc o n n e c t e dt ot h ei n v e r t e rd cb u sa n dd ci n v e r t e rb r i d g e b e t w e e nt h ef a c i l i t i e s ，w h i c ha s s i s t e di np a r tb ya ni n d u c t o rl 1 ，ad i o d eda n da f u l l - c o n t r o l l e dp o w e rd e v i c e sc o m p o s e do ft r t h ei n d u c t o ri st h ep o w e r t r a n s m i s s i o nm e d i u m t h ed i o d ep l a y st h er o l eo fc o n t i n u o u sc u r r e n t t h e f u l l - c o n t r o l l e dp o w e rd e v i c et rc o n t r o l se n e r g yt r a n s f e rb a c kc u ta n do p e n e d t h e s y s t e mw o r kf l o w , i n c l u d i n ge n e r g ys t o r a g ea n dr e l e a s eo fe n e r g yf r o mt h et w oa r e a s s t o r a g ep a r to f t h ed cb u s ，f u l l c o n t r o l l e dp o w e rd e v i c et r ，i n d u c t o rl 1a n dd i o d ed f o r m r e l e a s ec a nb ep a r to ft h ei n d u c t o rl 1 ，d i o d ed ，t h ea c t i v ei n v e r t e rb r i d g ea n d t h ea c p o w e rg r i dc o m p o s i t i o n w h e nt rt u r n so n ，t h ei n d u c t o rs t o r e de n e r g y , w h i l e b l o c k i n ga l lt h y r i s t o r ；w h e nt h et r i so f f , t h ec o r r e s p o n d i n gt h y r i s t o ri sc o n d u c t i n g ， t h ee n e r g ys t o r e di nt h ei n d u c t o ri st h r o u g ht h ea c t i v ei n v e r t e rb r i d g eb a c kt ot h ea c p o w e rg r i ds i d e i ti s t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fi t sp r i n c i p l e s ，a n dt h er e s u l t i n g h a r m o n i c sa r eb r i e f l ya n a l y z e db yt h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep s i m k e yw o r d s ：l i f t i n g ，e n e r g yf e e d b a c k ，t h y r i s t o r ，s p w m 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义1 1 2 起重机械节能技术发展综述一2 1 2 1 间接使用电能的起重机械节能技术2 1 2 2 直接使用电能的起重机械节能技术3 1 2 3 起重机械系统再生能量吸收技术。3 1 2 4 起重机械系统再生能量回馈技术4 1 3 课题的提出与本文主要研究内容6 1 3 1 课题的提出。6 1 3 2 本文主要研究内容6 第2 章电力电子技术与能量回馈技术7 2 1 电力电子器件7 2 1 1 二极管。8 2 1 2 晶闸管( s c r ) 8 2 1 3 门极关断晶闸管( g t o ) 1 0 2 1 4 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。1 1 2 2 起重机械的变频驱动技术1 2 2 2 1 起重机械机构的负载特点1 2 2 2 2 起重机械变频系统1 3 2 3 能量回馈技术1 4 2 3 1 有源逆变简述。1 4 2 3 2 再生能量回馈拓扑结构简述2 0 2 4 本章小结2 5 第3 章能量回馈系统拓扑结构的研究与设计2 6 3 1 能量回馈系统拓扑结构的设计2 6 3 1 1 能量回馈主系统拓扑结构2 6 3 1 2 能量回馈单元工作原理。2 7 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 能量回馈装置的s p w m 控制2 7 3 2 1 脉宽调制( p w m ) 技术简述2 7 3 2 2 正弦脉宽调制( s p w m ) 技术简述2 9 3 2 3 功率开关导通关断规则31 3 3 本章小结3 2 第4 章能量回馈系统建模与仿真3 3 4 1 仿真软件p s i m 简介3 3 4 1 1p s i m 的特征3 3 4 1 2p s i m 的基本使用方法3 4 4 1 3 常用仿真软件对比3 6 4 2 系统建模3 6 4 2 1 载波信号建模3 6 4 2 2 主电路建模3 7 4 2 3 控制部分建模3 8 4 3 本章小结4 4 第5 章仿真结果与分析4 5 5 1 能量回馈基本系统仿真4 5 5 1 1 波形基本分析4 5 5 1 2 谐波基本分析4 7 5 2 能量回馈系统滤波仿真5 0 5 2 1 系统参数设定5 0 5 2 2 波形基本分析5l 5 2 3 谐波基本分析5 4 5 3 不同调制因素下的能量回馈系统仿真5 7 5 4 回馈功率变化时的能量回馈系统仿真5 8 5 5 本章小结6 1 第6 章总结与展望6 3 致谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目6 9 i v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 目前，能源目趋紧张，使用的主要能源是煤炭、石油、天然气等。但这些 能源的储量是有限，同时这些能源消耗带来一定程度的大气污染以及对现有资 源的破坏，并非绿色能源，因而许多国家与研究部门积极着手进行对新能源的 开发和利用，如太阳能发电、潮汐发电、风力发电等【l 】。但值得重视的现有能源 利用中，也存在着诸多浪费的情况，因此谋求减少能源的浪费，或者利用技术 手段减少能源的消耗，提高供电设备所供给能量的利用率，也是节能的有效途 径。 经济建设的快速发展中，起重机械设备具有举足轻重的地位，在物料搬运 与输送和工业安装中扮演了不可或缺的角色，因而，国内各类型起重机械设备 的需求量也日益上升。当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放或者 平移机构紧急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态，从而将这 部分再生能量转换成电能通过变频器后端变流器( 逆变器) 回馈到前端变流器 ( 整流器) 与后端变流器之间的中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高 ( 即“泵升电压”) 。如果不采取必要的措施，当直流回路电容电压升到保护 极限值后变频器将会过电压跳闸。通常在变频器工作中，对再生能量处理有以 下两种方案：( 1 ) 能耗制动，即在中间直流回路设置电阻器，让再生能量通过 电阻器以发热的形式消耗掉的方式；( 2 ) 回馈制动，即采用有源逆变器，将再 生能量送回电网的方式。节省再生能量的消耗，提高整个起重机械供电能量的 利用率是具有一定意义的。 再生能量回馈装置目前现行的的成熟技术主要是基于全控型功率开关器件 ( i g b t ) 的电能回馈装置，即将变频器整流和逆变功能整合在一起，用一套设 备完成电流的双向流动。这种设备技术先进、性能优良，但由于基于全控型功 率开关( i g b t ) ，并将再生能量回馈装置内置与变频器内部，导致了高昂的销 售价格，致使节能的成本投资较高，限制了其技术的推广应用。随着电力电子 技术的发展，工艺技术的更新，半控型功率器件晶闸管( s c r ) 逐渐高速高频化， 并且相对于全控型功率开关( i g b t ) 来说，价格低廉。如果能够基于半控功率 武汉理工大学硕士学位论文 器件( 高频晶闸管) ，在采用控制全控型功率开关器件的技术的基础上，设计 出新型再生能量回馈系统，将会极大的降低成本，颇具现实意义。本文将以此 为基础尝试探讨以半控功率开关器件为基础的再生能量回馈系统的拓扑结构。 1 2 起重机械节能技术发展综述 经济的发展离不开能源的运用，因此我们可以以在起重机机械所使用的能 源来分类，该能源为电能和燃油，其中燃油最终转换为电能使用，所以可以将 其分为直接使用电能和间接使用电能两类。 直接使用电能就是使用供电网络供电驱动电机工作，这种方式下的起重机 械机动性能要求不高，常常运用于沿海港口的大型码头，多为大型的机械设备 在固定的区域从事作业。如果是往复工作周期，那么其路线相对来说是比较固 定的。这种起重机械往往采用公用的供电网络，便于各个起重设备能量交换( 势 能等回馈能量的利用) ，以提高能源的利用率，达到节能的目的。与前者相比， 使用燃油转换电能( 燃油发电机组) 的起重机械要求机动性颇高，其具有高效 率的移动性，作业场地不固定。 1 2 1 间接使用电能的起重机械节能技术 间接使用电能，或者说由燃油发电机组供电，在节能存在两方面，一个是 从节约燃油使用量本身考虑，即发电机组的不同工况下减少能源的消耗量，另 外一方面就是在提高发电机组的效率上做文章。 在最初的起重机械中，柴油发电机仅仅工作在全速、怠速两种情况下。当 起重机械待机时发电机处于怠速状态，而当起重机械作业时发电机处于全速状 态【3 1 ，也就是可以认为发电机组的工况至少有全速和怠速两种。节约燃油机在怠 速时的耗油量可以节省能源，因为怠速期间的设备用电量很少，而且待机时间 往往很长，超过了实际工作时间。因此，降低燃油机怠速时的速度可明显减少 油耗【2 1 。 从效率方面而言，无论怎样的能量转换，都存在一个转换效率的问题，提 高转换效率是一个永不泯灭的命题。起重机械利用燃油发电机组供电也同样如 此，然而其转换效率低下，导致能源利用率不高，而造成浪费。对于各种工况 下起重机械的作业，其载荷往往是非线性变化的。当轻载时，全速运行的柴油 发电机组效率低下，必然造成能源浪劐3 1 ，然而燃油发电机组都有各种的特性曲 2 武汉理工大学硕士学位论文 线，存在最佳燃油经济区域，对于不同功率下，转速与油耗存在着最佳匹配的 关系，也就是转速与油耗的最佳曲线。依据该曲线，优化对燃油机组不同工况 下的控制，即可提高燃油机组的效率，从而最终减少燃油的消耗，达到节约能 源的目的。目前，燃油发电机组的工况不再限制于全速和怠速两种，因而以优 化发电机组速度调节方式节能，达到速度与燃油消耗的最佳匹配，这种技术以 西门子公司的e c o 技术最具有代表性【4 】【5 1 。既然起重机机械的载荷往往是非线 性变化，要与之匹配，就需要与之快速的伺服能力，因此当起重机作业时，燃 油发电机组以最经济的工作速度运行于一段工作区域p j ，这就是e c o 节能的核 心技术，从而到达提高效率节能降耗之目的。 1 2 2 直接使用电能的起重机械节能技术 仅仅从节约燃油的技术角度来看，如果要想从根本上解决由燃油发电机组 供电的起重机械节约能源的问题是远远不够的。如果从宏观范围出发，这样考 武汉理工大学硕士学位论文 在起重机械频繁工作时的再生能量吸收后的储存起来的技术，这是一种比较值 得尝试的解决燃油转换效率低下的好方法，即混合动力技术。混合动力系统是 利用一定的储能器件，将起重机机械在下放、变幅或制动过程中产生的再生能 量储存后，依据燃油机组工况再释放利用，“燃油发电机组+ 储能器件”1 3 j 的综 合系统。采用基于混合动力技术的方案，既降低发电机组的容量，又回收充分 利用系统的再生能源，实现能量的高效利用。但是混合动力技术方案是需要加 入储能器件，这是与其他运用于起重机系统机械的不同点。应用了该技术效果 比较显著的有：日本安川于2 0 0 6 年8 月在新加坡港运用了此项技术，上海 振华在美国西雅图将其研发的轮胎式集装箱起重机( 配超级电容) 投入使用【3 儿7 1 。 1 2 4 起重机械系统再生能量回馈技术 从变频器内部结构和设计的方面入手，提高效能的两个重要途径是：( 1 ) 采 用使变频驱动电机的损耗最小而效率最高的控制策略；( 2 ) 采用成本低廉的拓 扑机构，通过某种方式( 例如有源逆变) 使再生能量高效地回馈到电网。 第一个方面是从能量消耗的入口着手，即从能量输入之前出发，寻求高效的 控制策略或者最优化的控制技术，在满足起重机械设备作业中对应速度、转矩 以及动态响应的需求下，减少变频装置的能量投入。而第二个方面则是从能量 使用过程中着手，将起重机械设备作业中产生的再生能量加以吸收或者回馈到 供电网络中。通过公用直流母线，可以起到能量交换的效果，即减少了第一方 面所述的能量消耗，同时能量使用过程中由于公用直流母线的存在。再生能量 又可以供给给并联与直流母线的其它逆变设备，同时如果再生能量过剩，即可 用有源逆变的方式回馈到交流电网上。以下讨论的就是通用变频系统中节能控 制的第二个方面，即再生能量回馈控制技术。 能量回馈系统所选用的功率开关器件主要有半控型器件和全控型器件两大 类。因而能量回馈的拓扑结构中有源逆变桥可分为半控器件型结构和全控器件 型结构两大类，其中选用半控器件的拓扑结构中，也有再加入少量全控器件( 例 如g t o ，i g b t ) 混用协调配合工作的结构。对于选用半控器件型结构，从控制 策略与方式来看，能量回馈系统主要采用幅相控制和正弦脉宽调制( s p w m ) 两 种方式。开关频率与集成度高以及动态响应快等是全控型器件相对于半控功率 器件的优势，因此，有源逆变系统采用上述如i g b t 的全控型器件作为功率开关 器件在提高系统效率，抑制谐波和噪声上有显著效果。 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 国内外能量回馈技术设备及功能 研发者产品类型 方式与特点 s i n a m i c s g 1 2 0 p m 2 5 0 再生回馈 再生回馈型功率模块，四象限运行【8 1 型变频器 德国西门子 该单元由2 个反并联晶闸管桥组成，用于向逆变 6 s e 7 0 系列整流回馈 器直流母线供电并由直流母线向电网回馈能量， 单元 通过一个自耦变压器使回馈桥的输入电压必须升 高2 0 ，以避免在网馈工作时产生电压降 r h r 、f r e n i c 系列电 把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为 日本富士 变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流 源再生单元 侧，将再生能量同馈到电网中9 】 v s - 6 5 6 r c 5 系列能量 方式同上，全控型器件，两个电压等级2 0 0 v 和 日本安川 4 0 0 v ，相对应功率范围分别为3 7 到3 7 k w 和3 7 到 回馈单元 7 5 l 【w 芬兰w a c o na f e 前端活动单元 全控型功率器件i g b t a f e 整流回馈单元s p m d 承当了母线电压的提供 艾默生c t 6 9 0 v 变频器 和回馈功能的控制【l o 】 变频器c h v l 9 0 及 全控型功率器件i g b t ，两种方案c h v l 9 0 变频器 深圳英威腾 加电阻能耗制动；另一种采用c h a l 0 0 四象限运 c h a l 0 0 行，采用p w m 技术实行能量回馈 p w m 调制技术，运用于电梯，将电机制动时产生 并输入到变频器母线的能量逆变生成与电网同步 深圳汇川m d b f 能量回馈单元 同相位的交流正弦波，把电能回馈给电网。能量 转化率超过了9 7 t 1 1 1 通用能量回馈制动单 功率范围7 5 k w ，i g b t 作为开关器件，电压自适 深圳西凯士 元s l 娼h k 系列 应控制控制，运用于电梯机械产品 发热量大，系统效率低：快速制动时所产生的泵 国内其它能耗制动方式 升电压不能得到有效的抑制；容量较小 近几十年来能量回馈控制系统研究的重点放在全控型器件上，如表1 1 所述。 而相对于半控器件晶闸管( s c r ) 来说，全控型功率器件的耐压、耐流、耐冲击能 力是与它无法相比的。另外晶闸管的驱动和保护电路比较简单，价格相对比较 5 武汉理工大学硕士学位论文 低等原因，在上个世纪七、八十年代，有源逆变电路普遍的采用晶闸管构成， 即便是在现今，也仍有相当的实际意义，具有广泛的市场和应用范围。 1 3 课题的提出与本文主要研究内容 1 3 1 课题的提出 节约能源是本文的重要背景，高效利用能源是其出发点，由于起重机械在 能源的使用中占有一定的份额，因此有必要研究其节能的问题。而起重机械的 运行控制是基于变频器系统的，所以由此产生的“泵升电压”是本文课题提出 的切入点，而“泵升电压”的本质是再生能量的回流，如何利用好这部分能量， 具有极大的现实意义。近四十年来，国内外基于再生能量的研究成果显著，大 多数是采用全控功率器件( i g b t ) 作为功率开关，但是价格较高，限制了其普 及与推广。而采用晶闸管作为功率开关器件，成本较低，所以本文将采用基于 晶闸管的有源逆变的再生能量拓扑结构，运用正弦脉宽调制( s p w m ) 控制技术 和仿真手段，探讨其工作原理。 1 3 2 本文主要研究内容 ( 1 ) 了解国内外起重机械( 或基于通用变频器) 的再生能量回馈技术发展 的情况； ( 2 ) 在此基础上，着眼于低成本，尝试利用一种比较简洁的基于半控功率 器件晶闸管( s c r ) 的再生能量有源逆变拓扑结构，并探讨其工作原理； ( 3 ) 采用基于正弦脉宽调制( s p w m ) 技术对以上所述结构进行仿真，验 证其可行性； ( 4 ) 对谐波问题进行探讨，并抑制谐波； 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电力电子技术与能量回馈技术 2 1 电力电子器件 从1 9 6 0 年才开始对电力电子学( p o w e re l e c t r o n i c s ) 定名，初期还不能够统 一，直到1 9 7 3 年的电力电子学会上，美国西屋电气公司的n e w e l l 博士才明确定 义了电力电子学的模式【1 2 】，电力电子学是随着电力电子功率开关器件的不断开 发和应用而不断发展和壮大起来的。半导体开关器件的发展本质上就是对理想 开关的研究和探索过程【l3 1 。一种理想的功率半导体器件，或者说一种具有理想 的静态和动态特性的半导体开关器件的出现，往往可以导致电力电子学发展历 史上的一次革命。开关器件导通时，具有低导通压降和高电流密度；开关器件 阻断时，能够承受高电压。同时，在开关状态转换的情况下，导通和关断时间 短，并具有较低损耗【l3 1 。已有大量的研究致力于降低器件的功率损耗、提高开 关频率以及简化门极( 或栅极) 驱动电路等，开关功率器件的更新换代促进了 大功率变频器的发展。而与此同时，大功率变频器在工业传动领域的广泛应用， 图2 - 1 开关器件的电压和电流等级图【1 4 1 7 也促进了电力半导体技 术向更大功率等级发 展，使其具有更高的可 靠性和更低的成本【1 3 1 。 在各种变频器中所 应用的大功率开关器件 主要有两种类型：晶闸 管型和晶体管型。其中， 晶闸管主要包括普通晶 闸管( s c r ) 、门极关断 ( g t o ) 晶闸管和门级 换相晶闸管( g c t ) ，晶 体管包括的典型器件有 绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ) 和电子注入增 武汉理工大学硕士学位论文 强栅极晶体管( i n j e e t i o ne n h a n c e dg a t et r a n s i s t o r ，i e g t ) 等。还有一些其它器 件，例如功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ，p m o s ) 、发射极关断晶闸管( e m i t t e r t u r n o f f t h y r i s t o r ，e t o ) 、m o s 控制晶体管( m o sc o n t r o l l e dt h y r i s t o r ，m c t ) 和静电感应晶闸管( s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r ，s r r ) ，这些器件尚未在大功率领 域中的得到广泛应用。图2 1 中给出了大功率设备主要采用的一些开关器件的电 压和电流等级，其中半导体制造厂商目前可批量提供12 k v 1 5 k a 或4 8 k v 1 5 k a 的s c r ，g t o 和g c t 的电压和电流等级可以达到6k v 和6 k a 。而i g b t 则相 对较低，目前可以达到6 5 k w 0 6 k a 或1 7 k w 3 6 k a 等级【l 引。 2 1 1 二极管 大功率二极管大体可分为两种：普通型和快恢复型。普通型主要用于普通 二极管工频整流器，快恢复型在可作为续流二极管用于电压源变频器中，这两 种类型主要采用了压接式和模块式两种封装技术。而这两种封装二极管的散热 装置在安装方式上有所不同，压接式二极管采用两面冷却的方式、热阻较小。 在大量二极管串联的中压传动应用中，二极管和散热器仅需要两个螺栓进行连 接固定。这种方式使得系统的功率密度很高，且组装成本较低，这就是压接式 半导体在中压传动中得到不断普及应用的主要原因之一。而模块式二极管采用 单面散热，绝缘基板隔离，因此大量的二极管可以被安装在一块散热器上【l 引。 2 1 2 晶闸管( s c r ) 1 9 5 7 年，美国g e 公司制造的耐压4 0 0 v 、平均导通电流1 6 a 的晶闸管( s c r ) 器件，在半导体开关功率器件发展史上具有划时代意义。s c r 属于三端器件， 即门极、阳极和阴极。当阳极和阴极之间有正向电压的情况下，如果为其提供 一个短时间的正向门极脉冲电流，即可使之导通。如果s c r 被触发导通，就会 一直维持导通，此刻如果通过功率电路提供反向的阳极电流，可以使其其关断。 也就是说，s c r 的开关特性主要包括门极电流f g 、阳极电流打和阳阴极电压竹 相关参数，通过给s c r 提供正向门极电流f g ，可以使其导通，而导通过程以延 迟时间小上升时间矗和导通时间垴定义，为使s c r 关断，必须为其提供反向 电流，使得阳极电流打开始减小。在整流应用中，反向电流是通过电网电压产 生的，在负载换相逆变器中，反向电流则是由负载电压产生的。关断暂态过程 以反向恢复时间岛、反向恢复峰值电流名、反向恢复电荷q 玎以及关断时间来 在设计变频器时还应充分考虑到两个重要的参数，分别为通态电流上升率 d i d t 和断态电压上升率d v d t ，为使系统正确可靠的运行，这个两个参数必须低 于最大限值。另外一个重要参数是反向恢复电荷q 仃，其大小有反向恢复时间0 和反向恢复峰值电流矗两者共同决定，为降低关断时的功率损耗，最好选用鳊 较小的s c r t l 3 1 。 表2 1国内某半导体有限公司高频晶闸管产品参数 、 、参 i t t a v )t q i s u i d r m 、 v d 州 数 i t 卵 d v d td i d t v r m i 5 5 0 c1 0 0 0 c1 0 m s i r r m 型 、 号、 vaa 瓜h z 雌 k a n | 怄a 邮 m a t 3 8 k a b6 0 0 9 0 06 0 05 0 0 1 25 762 0 02 0 04 0 y 3 8 l ( a b6 0 0 1 0 0 0 6 0 05 0 0 1 0 5 7 62 0 0 2 0 0 4 0 y 3 0 k a c8 0 0 1 2 0 02 0 02 0 0 1 06 92 42 0 02 0 03 0 y 3 8 k a c8 0 0 1 2 0 06 0 04 0 0 i 1 06 94 82 0 02 0 04 0 y 4 5 k a c8 0 0 1 2 0 08 0 05 0 0 1 06 1 09 62 0 02 5 06 0 y 5 0 k a c8 0 0 1 2 0 0 1 0 0 06 0 0 1 0 6 1 01 22 0 02 5 08 0 y 5 5 k a c 8 0 0 12 0 01 2 0 08 0 0 88 1 51 42 0 0 2 5 0 1 0 0 y 3 0 l ( a d8 0 0 1 4 0 02 0 02 0 0 68 1 22 42 0 02 0 03 0 y 3 8 k a d8 0 0 1 4 0 05 0 05 q q 68 1 23 62 0 02 0 04 0 y 4 5 k a d8 0 0 1 4 0 06 0 0 6 0 0 6 1 0 1 47 22 0 02 5 06 0 y 5 0 k a d8 0 0 1 4 0 0 8 0 08 0 0 6 1 0 1 4 9 62 0 0 2 5 0 8 0 y 5 5 k a d8 0 0 1 4 0 01 0 0 01 0 0 0 61 0 1 51 22 0 02 5 01 0 0 y 4 0 k k d1 2 0 0 1 6 0 05 0 05 0 0 41 2 1 86 32 0 02 0 05 0 y 4 5 k k d1 2 0 0 一1 6 0 06 0 06 0 0 41 2 1 81 02 0 02 0 05 0 9 武汉理工大学硕士学位论文 大多数的大功率s c r 均采用压接式封装，而中小功率的应用场合，具有绝 缘基板的s c r 模块则使用较多。晶闸管自问世以来，其功率容量已提高了接近 3 0 0 0 倍，功率等级可达1 2k v 6k a t l 5 】t 1 6 1 ，其主要缺点是不能自关断，所以由于 全控开关功率器件的迅速发展，其的应用领域有所缩小。但是由于其高电压、 大电流特性以及较低的导通损耗和低廉的成本，使得它在静止无功补偿、高压 直流输电、超大功率可控整流装置、交交变频调速、交直一交逆变器变频系统 以及大功率直流电源等应用方面占有重要的位置【1 2 】【1 3 1 。 目前随着工艺技术的不断发展，晶闸管逐步高速高频化，高频s c r 的主要 指标是开关损耗最小，做法是加快扩大阴极导通面积，可以把阴极设计成筛状 【1 2 】。表2 1 中为国内某公司高频晶闸管相关参数，该晶闸管采用全扩散工艺、分 布式扩展放大门极结构及平板型陶瓷管壳封装，双面冷却，开关损耗较低，适 用频率为2 5 k h z 到1 0 k h z ，关断时间为5 1 8 1 x s 。 2 1 3 门极关断晶闸管( g t o ) 门极关断晶闸管g t o ( g a t e t u r n0 1 j f ) 是一种自关断器件，只需要提供反向 的门极电流即可关断。g t o 的出现已经有5 0 年的历史了。1 9 5 6 年，美国西屋 电气发表了有关g t o 的研究论文，并制造出可关断阳极电流为1 0 a 的产品【1 2 】。 而在1 9 8 2 年，日本日立公司首先研制成功2 5 k w l k a 的g t o 产品【1 3 】。1 9 9 9 年， 市场上已经有额定值到底4 5 0 0 v 3 0 0 0 a 的g t o 晶闸管产品，其开关速度比s c r 晶闸管快【l3 1 。目前，g t o 通常采用压接式封装，市场上没有模块式封装的产品。 一些制造厂商可以提供额定电压和额定电流分别高达6 k v 6 k a 的g t o 产品。门 极关断晶闸管g t o 的结构有对称和非对称两种形式：对称g t o 具有反向电压 阻断能力，适用于电流源型变频器，其断态重复峰值电压州与反向重复峰值 电压喙蹦基本一致。而非对称g t o 通常用于电压源型变频器，此时不需要有 反向电压阻断能力，其y 汹的典型值一般为2 0 v 左右，远低子r m 。虽然g t o 具有高阻断电压与高通态电流的优势，但g t o 也有很多不知之处，主要包括以 下内容【1 7 】： ( 1 )电压上升率d r d r 比较低，因此其关断吸收电路体积较大、成本很高； ( 2 ) 吸收电路和开关状态转换时的损耗都比较大； ( 3 ) 复杂的门级驱动电路： ( 4 ) 导通状态下，为了限制电流上升率d g d t 则需要增加一个吸收电路。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 值得注意的是，g c t 是从g t o 机构发展出来的一种新型器件，也可以称为 集成门极换向晶闸管( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ，i g c t ) 。从近几年 的工业应用中可以看出，g t o 正逐渐被g c t 所取代。由于g c t 具有无需要吸 收电路和低开关损耗的特点，使它成为中压传动的首选器件之一【1 7 】。 2 1 4 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 功率晶体管是三端器件，必须由加在控制电极的基极或者门极电流来维持其 单向的主电路电流，一旦去除基极或者门极驱动就会导致电流截至。双极结型 晶体管( b j t ) 是一种三端硅开关器件，它使一种电流控制器件，这是因为当其 基极端b 与集电极端c 相对于发射极e 来说，都是正偏置的时候，其就可以处 于导通状态，导通电流一直持续到基极端得电流被去除为止。而金属氧化物 半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 是一种高速的三端开关器件，它是一种电压控 制器件，这是因为，只有当漏极电压门极电压都高于源极电压磙时， m o s f e t 才能导通，当栅极电压去除后，开关就处于关断状态。而绝缘栅双极 型晶体管( i g b t ) 是一种电压控制型开关器件，它结合了m o s f e t 的高速开关 特性和b j t 的功率处理能力【l3 1 。其单个器件的额定电压和额定电流等级分别可 达3 0 0 - - 1 6 0 0 v 和1 0 - - 4 0 0 a ，即额定功率可达5 0 k w ，其开关频率高于晶体管 ( b j t ) ，低于场效应晶体管( m o s f e t ) 。如果i g b t 器件的设计着重与高频开 关特性或者低导通电阻时，则会有反向击穿电压低的不利一面，这可以通过反 向并联一个二极管来补偿。i g b t 作为电压控制型开关器件，0 v 的电压即可关 断，+ 1 5 v 的栅极电压即可使其导通。实际应用中，往往采用几伏的负栅极电压 来使其关断，以便提供其抗干扰能力。当其完全导通或关断时，则不需要栅极 电流来驱动了。由于栅极和发射极间存在寄生电容，在i g b t 开关切换的暂态过 程中，需要几安的栅极峰值电流。在实际应用的领域中，i g b t 已经成为半导体 功率开关器件的主流产品，也是众多研究部分的研究的对象，在频率为1 0 , - 1 0 0 k h z 的中压系统应用范围内具有比较重要的地位。虽然在硬开关下i g b t 开关损 耗比较高，但是与附带缓冲吸收电路的门极关断晶闸管g t o 变流装置比较， i g b t 变流装置的功率密度较高，并且成本相对较低。绝大多数的大功率i g b t 都采用模块式封装，为了减小体积并提供散热效率，市场上也可以购买到压接 式封装的i g b t ，不过相对来说这种器件的规格较少，因此选型受到诸多限制。 i g b t 的特点在于栅极驱动电路比较简单、无需吸收电路、开关速度较高以及带 武汉理工大学硕士学位论文 有绝缘基板的模块化设计。一个i g b t 模块包含多个i