第二版-机电传动控制课件--第9章 电力电子技术VIP

第九章电力电子技术，本章重点：1。一般功率半导体器件的基本工作原理和特性2。电压调节和频率转换的基本原理3。脉宽调制的工作原理、9.1功率半导体器件、常用功率半导体器件按照控制方式分类。失控元件半控制装置全控制装置。无法控制的设备、整流二极管快速恢复二极管肖特基二极管、半控制设备、普通晶闸管高频晶闸管双向晶闸管光控制晶闸管、全控制设备、功率晶体管(BJT)功率场效应晶体管(PowerMOSFET)绝缘栅极双极晶体管(IGBT)静电感应晶体管晶闸管的出现起到了弱电控制和强电输出之间的桥梁作用。晶闸管结构，晶闸管为三端(阳极a，阴极k，栅极g)四层半导体开关装置，晶闸管工作原理，图9-2晶闸管感应通关阻塞实验电路，(1)晶闸管的传导条件。在晶闸管的正极和负极之间添加正向电压的同时，在栅极和负极上添加正向电压也是不可或缺的。(2)晶闸管传导后，栅极失去控制功能，因此在栅极上添加的触发电压通常是脉冲电压。晶闸管从阻塞转变为网点的过程称为触发导通。(3)晶闸管屏蔽条件。使通过晶闸管的阳极电流小于保持电流IH。保持电流IH是保持晶闸管传导功能的最小电流。图9-3晶闸管工作原理图，晶闸管的电压电流特性，图9-4晶闸管的阳极伏安特性，晶闸管的主参数，(1)额定电压UR，通常选择相当于电路晶闸管工作峰值电压的2 3倍的电压值作为晶闸管的额定电压，以确保电气安全。(2)一般峰值电压UTM指定为额定电流时，管压力降的峰值，通常为1.5至2.5V，并随阳极电流的增加而略有增加。额定电流下的平均电压降通常约为1V。(3)额定电流IR是在环境温度为40 和标准冷却以及整体传导以下的情况下，晶闸管组件连续通过的工频正弦半波电流(在一个周期内)的平均值，称为额定通过状态平均电流IT。(4)浪涌电流ITSM晶闸管在指定的短时间内通过了允许的冲击电流值，该值通常比额定电流IR大4。例如，额定电流为100A的元件的值为(1.3 1.9) ka。(5)保持电流IH在指定的环境温度和控制电路中断时继续传导组件的最小电流称为电流IH(通常为数十mA到100 ma)，在产生电流的过程中，电流表IL晶闸管产生电流后，只要晶闸管的电流达到阈值，就可以消除触发电流。在这种情况下，晶闸管会自动保持正常状态，这种临界电流值称为素IL。通常，电流IL比保持电流IH大2-4倍。9.1.2其他电力半导体装置，1 .双向晶闸管(TRIAC)双向晶闸管，其外观类似于普通晶闸管，直接在交流电源上工作，其控制杆在电源的两周半内起到触发控制的作用。也就是说，它相当于两个普通的晶闸管瘟疫系列，称为双向晶闸管或交流晶闸管。图9-5双向晶闸管电路符号和等效电路，2 .关闭晶闸管(GTO)，图9-6GTO的结构和电路符号，3 .功率晶体管(GTR)、功率晶体管是可以在大功率和大电流下使用的大功率高压晶体管，也称为功率晶体管或巨型晶体管的GTR。GTR大多数使用NPN类型。功率晶体管在应用中大部分用作功率开关，主要要求足够的容量(高压、大电流)、适当的增益、高运行速度和低功率损耗。GTR饱和导向将正向压力减小到(0.3至0.8) v，而晶闸管通常约为1V。，4 .场效应晶体管(功率MOSFET)，FET有三个电极：栅极g、泄漏d和源s。浇口控制泄漏极和源极之间的等效电阻，使fet处于阻塞或传导状态。Fet可以分为两类：接头fet和绝缘浇口fet。(a)结构(b)N通道(c)P通道图9-7MOSFET基本结构，图形符号和外部电路，5。绝缘栅双极晶体管(IGBT)，IGBT在结构上可以看作复合装置，如图9-8所示。输入控制部分为MOSFET，输出级别为双极结三极晶体管，因此具有MOSFET和GTR的优点：高输入阻抗、电压控制、低驱动功率、快速开关速度、高工作频率、高饱和压力降低、较大电压和电流容量以及大安全工作区域。对于(a)结构(b)等效电路9-8IGBT符号和内部结构等效电路、9.2功率半导体器件的驱动电路、9.2.1半控制电源半导体器件的驱动电路，触发电路的要求如下：(1)为了使设备稳定运行，触发脉冲的值必须大于栅极触发电压UCT和栅极触发电流ICT。也就是说，必须有足够的触发功率。必须小于浇口正向峰值电压UCM和浇口正向峰值电流ICM，以避免晶闸管浇口损坏。(2)每个晶闸管的触发电压与主电压保持更严格的相位关系，即同步状态，以确保控制规律性。(3)触发脉冲必须能够在一定范围内进行相移，以便持续调整转换器电路输出的电压。例如，在单相完全控制桥电阻负载下，脉冲相移范围必须为180。三相全控制桥电感负载(如果不连接流管)必须具有触发脉冲的相移范围90。(4)大多数晶闸管电路还需要触发脉冲的前沿，以便进行准确的触发传导控制。如果负载是电感，则晶闸管的触发脉冲必须具有一定的宽度，才能使晶闸管的电流上升到擎天柱电流以上，从而稳定地传导设备。a)正弦波b)尖脉冲c)强触发脉冲e)脉冲列图9-9典型触发脉冲电压波形，1。单结晶体管结构和特性，(a)结构(b)等效电路(c)图形符号图9-10单结晶体管，图9-11单结晶体管特性曲线，2。单结晶体管自振荡电路，(a)电路图，(b)波形图9-12单结晶体管自振荡电路，3 .单结晶体管触发电路、图9-13单相半控制桥整流电路触发电路、9.2.2全控制电源半导体器件驱动电路、驱动电路的特定形式可能是由个别设备组成的驱动电路，但目前趋势是使用专用集成驱动电路，为了最佳参数拟合，必须首先选择使用电力电子设备的制造商为其设备开发的集成驱动电路。1 .GTO门控制单元的驱动电路，包括断路、断路和偏置电路。GTO的触发传导过程类似于常规晶闸管，但是浇口控制技术的核心是终止。影响阻塞的因素主要包括阻塞的阳极电流、负载阻抗的特性、工作频率、缓冲电路、阻塞控制信号波形和温度。图9-14典型直接耦合GTO驱动电路，2 .电压驱动设备的驱动电路，图9-15功率MOSFET的驱动电路，9.3晶闸管调压电路，9.3.1直流斩波电路，1 .直流斩波工作原理，(a)原理电路，(b)斩波后的输出电压图9-16晶闸管直流斩波，2。斩波电路；(a)原理电路；(b)波形图9-17斩波电路及其波形；9 . 3 . 2交流电压调节电路；9 . 3 . 2 . 1单相交流电压调节电路；图9-18单相交流电压调节电路的基本形式；1 .电阻负载，(a)原理电路(b)波形图9-19电阻负载，2。电感负载、图9-20电感负载原理电路、图9-21电感负载波形图、单相交流电压调节器具有以下特性：(1)电阻负载电流波形和单相变更触发控制角度alpha，可以持续变更负载电压的有效值，达到交流电压调节的目的。(2)电感负载不能由窄脉冲触发。否则，在 中，会产生大量直流元件电流，在不通过晶闸管的情况下，可以燃烧保险丝或晶闸管。(3)电感负载下的最小触发控制角度=。因此的相移范围为0 180。在电阻负载下，相移范围为0180。图9-22三相交流电压调节电路的基本形式，9.4逆变电路，整流将交流转换为直流供电负载，而逆变器是整流的逆过程，即直流转换为交流的过程。在很多情况下，相同的晶闸管或其他可控制的电力电子电流回路可以用作整流和逆变器，这称为转换器或转换器。根据逆变输出交流电源的材料，还可以将逆变电路分为主动逆变器和被动逆变器。有源逆变器负载在电网中，将逆变器输出的交流电源传送回电网。手动逆变器以交流电动机、电力等电器为负荷。1 .整流状态(0 /2)，9.4.1有源逆变电路，图9-23整流操作状态，2。反相器状态(/2 )、图9-24反相器操作状态、9.4.2手动反相器电路、1。逆变器工作原理，(a)感应电路(b)波形图9-25逆变电源工作原理，整流方法主要为：(1)使用装置交换整体控制装置，可以用控制极信号关闭装置，整流控制更加简单。(2)电网整流控制整流电路和三相交流调压电路属于利用电网电压进行整流和电网更换，无论整流状态或有源逆变状态如何。整顿时，对要关闭的晶闸管施加负电网电压，就会关闭。(3)如果负载整流负载电流的相位先于负载电压，则可以进行负载转换。(4)通过强制改变连接，设置附加整流电路，在要断开连接的晶闸管上强制更换反向电压或反向电流的方式称为强制整流。(a)原理电路(b)波形图9-26负载整流电路和波形，图9-27强制整流电路，2。基本逆变电路，(1)半桥逆变电路，(a)原理电路，(b)波形图9-28半桥逆变电路，(2)全桥逆变电路，(a)原理电路，(b)波形图9-29全桥逆变电路和波形， 图9-31单相桥SPWM逆变电路图，图9-31单相桥SPWM逆变电路图，图9-32单极SPWM控制原理，图9-33双极SPWM控制原理，9.5.2三相桥SPWM逆变电路， PWM逆变电路可以根据载波和信号波是否同步以及载波比率的变化来控制异步和同步调制。1 .异步调制、载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步模式。调制信号频率增加，载波比m减少，在伴奏期间脉冲数减少。输出脉冲的不对称影响更大，脉冲跳动也发生。此外，输出波形和正弦波之间的差异更大，电路输出特性更差。对于异步调制，在调制信号频率高的情况下，必须尽可能地提高载波频率，以保持较大的载波比率并改善输出特性。2 .同步调制，载波比率m等于常数，在频率转换时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在三相PWM逆变电路中，通常共享三相载波信号，该信号是m的3倍整数，以便三相输出波形严格对称。此外，m取奇数，使一相波形为正，负伴奏对称。，9.5.4SPWM生成方法，使用微型计算机轻松计算PWM波形的每个脉冲宽度，从微型计算机输出