交流变频调速技术2

1、交流变频调速技术交流变频调速技术第第2章章 常用电子器件原理及选择常用电子器件原理及选择2-0 2-0 主电路器件主电路器件交交- -直直- -交的主电路需用大功率交的主电路需用大功率整流二极管整流二极管，比较简单（略），比较简单（略）逆变器主要是大功率、耐高压逆变器主要是大功率、耐高压SCRSCR(silicon controlled (silicon controlled rectifiierrectifiier可控硅可控硅，或，或thyristorthyristor晶闸管晶闸管) )、GTOGTO(gate turn-off thyristor(gate turn-off thyrist

2、or门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管) )、GTRGTR（grant transistorgrant transistor大功率晶体管大功率晶体管) )、IGBTIGBT(insulated gate bipolar transistor(insulated gate bipolar transistor绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管）IGCTIGCT(integreted gate commutated thyristor(integreted gate commutated thyristor集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管）MOSFETMOSFET(metal oxgen fi

3、eld transistor(metal oxgen field transistor金属氧化物场效应管金属氧化物场效应管）SITSIT(static induction transistor(static induction transistor静电感应晶体管静电感应晶体管）SITHSITH(static induction thyristor(static induction thyristor静电感应晶闸管静电感应晶闸管）MCTMCT(MOS-controlled thyristor(MOS-controlled thyristorMOSMOS控制晶闸管控制晶闸管）IPMIPM(inte

4、lligent power module (intelligent power module 电力电子器件电力电子器件）两个要求：两个要求： 1.1.耐高压和大电流。耐高压和大电流。2.2.允许频繁开关且控制方便允许频繁开关且控制方便2-1 晶闸管的结构原理及测试晶闸管的结构原理及测试1.1.结构：结构：SCRSCR或或THTH器件是四层（三个器件是四层（三个PNPN结）三个极的大功率结）三个极的大功率 半导体器件。半导体器件。A A阳极阳极 K阴极阴极 G门极门极 是单向导电，正向导通的可控元件，是单向导电，正向导通的可控元件，导通条件：导通条件：必须同时必须同时具备具备A-K间正向电压、间

5、正向电压、G-K间正向触发电压、门极电流间正向触发电压、门极电流KGAKAGKAGKAG2.2.原理原理: :相当复合管正反馈电路。相当复合管正反馈电路。I IG I Ib2 (PNP导通） I IC2 = = I Ib1 I Ic1 (NPN导通） I Ib2两管两管饱和导通，若使晶闸管关断，应设法饱和导通，若使晶闸管关断，应设法使使I IA和和I IB2减小到维持电流以下。减小到维持电流以下。（元件特性实验例：教材（元件特性实验例：教材 P P27 27 图图2-22-2）P1P2N1N2AKGP1AKN2GP2N1P2N1J J1 1J J2 2J J3 3I IAI Ic2c2I IG

6、A AR RE EA AE EG GPNPPNPNPNNPNI Ic2c2I Ib1b1I IKG GK KI Ib2b2I IG电阻挡电阻挡R1K档档应应为数百为数百K（1 1）用用R1K档测任意两管脚，其中有一管脚对另外两管脚正反档测任意两管脚，其中有一管脚对另外两管脚正反向电阻向电阻 都很大，在几百都很大，在几百K以上，此管脚就是以上，此管脚就是A(阳极阳极)，再，再R10 档测另外两个档测另外两个管脚的阻值，应为几十管脚的阻值，应为几十几百几百（反向），正反向电阻不同，测阻值小的时候，（反向），正反向电阻不同，测阻值小的时候，黑表笔所接管脚为黑表笔所接管脚为G（门极），最后剩下那一管脚

7、就是（门极），最后剩下那一管脚就是 K(阴极）。阴极）。（2 2）若正反向测阻值都很小（用若正反向测阻值都很小（用R10档指示接近档指示接近0）说明）说明PN结击穿短路已损结击穿短路已损坏了，反之若用坏了，反之若用R1K档测阻值全无穷大（不通）说明档测阻值全无穷大（不通）说明PN结断路，也损坏了。结断路，也损坏了。切记：不能用切记：不能用R10K以上档测门极以上档测门极G与阴极与阴极K之间电阻。之间电阻。（3 3）SCRSCR或或THTH晶闸管一般都是成对使用，应选阻值一致或接近的用在同一桥臂、晶闸管一般都是成对使用，应选阻值一致或接近的用在同一桥臂、同一电路中。另外参数要有裕量电流同一电路中

8、。另外参数要有裕量电流2.52.5倍，反向电压倍，反向电压4 46倍。倍。3.3.晶闸管选择、管脚判别与测试晶闸管选择、管脚判别与测试电阻挡电阻挡R1K档档应为数百应为数百K电阻挡电阻挡R10档档应为应为几十几十几百几百（反向）（反向）电阻挡电阻挡R10K档档反向应不通反向应不通P1P2N1N2AKGP1P2N1N2AKG结论：结论：由于不具自关断能力，主电路保护电路和触发复杂，不太可靠由于不具自关断能力，主电路保护电路和触发复杂，不太可靠 性能上的缺陷，是早期应用元件，但其原理是后续发展元件的基础。性能上的缺陷，是早期应用元件，但其原理是后续发展元件的基础。n4.4.门极可关断晶闸管（门极可

9、关断晶闸管（GTO)GTO)GTOGTO- -门极可关断晶闸管作为改进型门极可关断晶闸管作为改进型TH管除了保持管除了保持SCR全部性能，还具全部性能，还具有灵敏度较高的自关断能力。有灵敏度较高的自关断能力。GTOGTO的开关频率只能在的开关频率只能在2KH2KHZ Z以下，还有以下，还有GTOGTO用在脉宽调制技术中难以得到理想的正弦脉宽波形，波形畸变会使电动用在脉宽调制技术中难以得到理想的正弦脉宽波形，波形畸变会使电动机调速时产生刺耳的噪声，目前机调速时产生刺耳的噪声，目前GTOGTO已较少应有。已较少应有。GTRGTR是把模电所学的晶体管加大成耐高压、大电流的多个管子组合在模块是把模电所

10、学的晶体管加大成耐高压、大电流的多个管子组合在模块中，成为电力晶体管（达林顿管），结构为三管脚的硅块，变频器中一般中，成为电力晶体管（达林顿管），结构为三管脚的硅块，变频器中一般用用6 6个管组成一单元的模块，其外形、图形符号、二管等效电路如下：个管组成一单元的模块，其外形、图形符号、二管等效电路如下： 2-2 2-2 功率晶体管功率晶体管（GTR)GTR)2. 功率晶体管的工作原理和主要参数工作原理等同模电学过的晶体管放大电路工作原理等同模电学过的晶体管放大电路（略）晶体管放大电路基本的三个工作状态：放大、饱和（导通）、截止（关晶体管放大电路基本的三个工作状态：放大、饱和（导通）、截止（关断

11、），断），GTRGTR在逆变器中作开关器件，所以总是在饱和和截止两种状态交替在逆变器中作开关器件，所以总是在饱和和截止两种状态交替变化，所以逆变用的变化，所以逆变用的GTRGTR额定功率通常很小，如在放大状态，其功耗将增额定功率通常很小，如在放大状态，其功耗将增大达百倍以上，大达百倍以上，GTRGTR模块不允许在放大状态稍作停留！模块不允许在放大状态稍作停留！（1 1）.开路阻断电压U UC CEO-是指基极开路时集电极与发射极之间能承受的是指基极开路时集电极与发射极之间能承受的持续的电压。其反映了持续的电压。其反映了GTRGTR的最大耐压能力，在通用变频器中的最大耐压能力，在通用变频器中38

12、0V380V低压电低压电网，大多使用网，大多使用UCEO为为1200V1200V的的GTRGTR模块。选择模块。选择GTRGTR模块，没有散热因素一般模块，没有散热因素一般按超过电源线电压按超过电源线电压UL的峰值的峰值2 2倍：倍： UCEO22 2 UL（2）.集电极最大持续电流集电极最大持续电流I ICM-是指基极正向偏置（控制导通）时集是指基极正向偏置（控制导通）时集电极能流入的最大电流。其反映了电极能流入的最大电流。其反映了GTR的最大负载能力，在通用变频器中的最大负载能力，在通用变频器中380V低压电网，大多使用低压电网，大多使用1200V/300400A的的GTR模块。（视变频器

13、额模块。（视变频器额定容量而定）选择定容量而定）选择GTR模块，没有散热因素一般按超过额定电流模块，没有散热因素一般按超过额定电流I IN N的峰值的峰值2倍：倍： I ICMCM22 IN N主要参数及元件选择主要参数及元件选择（3 3）. .电流增益电流增益h hFEFE 放大倍数或电力传输比放大倍数或电力传输比h hFEFE = = I IC C/I/IB B 当然其当然其值越大越好，一方面控制驱动电路功率可小，相对管子容量大，另一值越大越好，一方面控制驱动电路功率可小，相对管子容量大，另一方面有利于正反馈迅速到饱和状态（导通）。目前达林顿型方面有利于正反馈迅速到饱和状态（导通）。目前达

14、林顿型GTRGTR的的h hFEFE 范围为范围为502000.（4 4）. .开关频率开关频率由时间参数来评定由时间参数来评定GTRGTR的开关性能的开关性能T TONON看教材看教材P P30 30 图图2-52-5延迟时间延迟时间t td d从输入基极电流正跳变从输入基极电流正跳变到集电极电流到集电极电流i ic c上升到最大值上升到最大值I IC C的时的时的的10%10%所需时间。所需时间。上升时间上升时间t tr r集电极电流集电极电流i ic c由稳态值由稳态值的的10%10%上升到上升到90%90%所需时间。所需时间。T Toffoff存储时间存储时间t tS S从撤销正向驱动

15、信号到从撤销正向驱动信号到集电极电流集电极电流i ic c下降，再到下降，再到I IC C的的90%90%所需所需时间。时间。开通时间开通时间关断时间关断时间下降时间下降时间t tf f集电极电流集电极电流i ic c下降，从下降，从I IC C的的90%90%到到I IC C的的10%10%所需时间。所需时间。3.3.常用功率晶体管的驱动电路模块常用功率晶体管的驱动电路模块（5 5）需要重视保护元件的重要参数集电极电压上升率需要重视保护元件的重要参数集电极电压上升率: :du/dtdu/dt 在基极开路时，集在基极开路时，集-射极之间承受过高的射极之间承受过高的du/dtdu/dt ,迫使迫

16、使GTR进入放进入放大区运行，有可能因瞬间电流过大而产生二次击穿导致损坏。为大区运行，有可能因瞬间电流过大而产生二次击穿导致损坏。为了抑制过高的了抑制过高的du/dtdu/dt 对对GTRGTR的危害，一般在集的危害，一般在集- -射之间并联射之间并联RCRC缓冲缓冲网络。网络。虽然虽然GTRGTR比比SCR(TH)SCR(TH)性能强，但是，驱动电路要求严格，性能强，但是，驱动电路要求严格，因此设计出用于驱动因此设计出用于驱动GTRGTR的专用模块芯片：的专用模块芯片： EXB356 EXB356、EX357EX357和和EXB359,EXB335NEXB359,EXB335N系列。系列。2

17、-3. .功率场效应晶体管的结构、工作特点及测试功率场效应晶体管的结构、工作特点及测试 (MOSFET)(MOSFET)p1.1.结构结构MOSFETMOSFET结构是多了栅极隔离，是漏极结构是多了栅极隔离，是漏极D源极源极S和栅极和栅极G的的3极功极功率管。率管。其主要特点：其主要特点：区别于普通电流型功率晶体管，区别于普通电流型功率晶体管，MOSFETMOSFET是电压型，输入阻抗高，控制方便，用是电压型，输入阻抗高，控制方便，用TTL或或CMOS功率小的功率小的器件直接驱动；另外自关断能力强，开关频率可达器件直接驱动；另外自关断能力强，开关频率可达20MHZ作逆作逆变器件可使变频载波频率

18、高，电动机基本无电磁噪音。变器件可使变频载波频率高，电动机基本无电磁噪音。2.为什么选择为什么选择MOSFET？（1 1）用用R1K档测任意两管脚，正反向电阻档测任意两管脚，正反向电阻 两次测都很小，则管子已坏。两次测都很小，则管子已坏。（2）用）用R100 档测任意两个管脚的阻值，若为档测任意两个管脚的阻值，若为几百几百，其中一表笔所接，其中一表笔所接管脚管脚 为为G（栅极），再用（栅极），再用R10K档测另两管脚正反向阻值，分别为几十档测另两管脚正反向阻值，分别为几十K和和5100K（反向电阻）在测到反向电阻时，红表笔不动，黑表笔（反向电阻）在测到反向电阻时，红表笔不动，黑表笔先移开点一下

19、先移开点一下G脚，再回接原脚，此时会出现两种情况：脚，再回接原脚，此时会出现两种情况：阻值为阻值为0 0，则此管为，则此管为N N沟道型，且红沟道型，且红S,S,黑黑D.D.阻值仍很大，黑表笔不动，阻值仍很大，黑表笔不动，红表笔先移开点一下红表笔先移开点一下G脚，再回接原脚，阻值脚，再回接原脚，阻值为为0，则此管为，则此管为P沟道型，且红沟道型，且红D黑黑S.（3）切记：栅极不能开路！切记：栅极不能开路！3.3.功率场效应晶体管的测试功率场效应晶体管的测试结论：结论：由于场效应管的电压型特性触发电路简单，作逆变开关优越，由于场效应管的电压型特性触发电路简单，作逆变开关优越， 但是电感性负载启动

20、和停止时可能产生过电压、过电流，应有保护措施。但是电感性负载启动和停止时可能产生过电压、过电流，应有保护措施。电阻挡电阻挡R1K档档若若为为0，管子已坏！，管子已坏！电阻挡电阻挡R100档档应应为为几百几百，有一脚为，有一脚为G电阻挡电阻挡R10K档档测正反向阻值测正反向阻值为数百为数百K2-4.绝缘栅双极晶体管的结构、工作特点绝缘栅双极晶体管的结构、工作特点(IGBT)1.结构结构 ：外形等同于外形等同于GTR和和MOSFET 。 实际就是 GTR管与MOCFET管的组合 ，三个极分别是C、E(功率晶体管的集射极）和G绝缘栅的控制极栅极（等同MOSFET的栅极）其符号和等效电路如图：CGEC

21、GE等效电路等效电路符号符号过电流保护过电流保护AMGBT驱动模块驱动模块 2.IGBT的工作特点的工作特点IGBTIGBT作为逆变器元件的主要优点：（1 1）电压型器件，输入阻抗高，开关速度快（开关频率）电压型器件，输入阻抗高，开关速度快（开关频率20KHZ, 20KHZ, 载波频率载波频率10KHZ)10KHZ)（2 2）电流波形平滑，电动机基本无电磁噪声，电动机转矩增大。）电流波形平滑，电动机基本无电磁噪声，电动机转矩增大。（3 3）通态电压降较低，能承受高电压）通态电压降较低，能承受高电压1200V1200V，大电流可达，大电流可达1500A1500A（4 4

22、）驱动电路已经集成化（图示为）驱动电路已经集成化（图示为EXBEXB系列驱动模块）。系列驱动模块）。（5 5）能耗小。）能耗小。（6 6）故障率低，对过电压、过电流有自处理能力，特别是瞬时掉电时，）故障率低，对过电压、过电流有自处理能力，特别是瞬时掉电时， 驱动电源衰减慢，整个管子不易因进入放大区而损坏驱动电源衰减慢，整个管子不易因进入放大区而损坏结论：结论：IGBT与与MOS场效应管类同，属于电压型器件，兼有场效应管类同，属于电压型器件，兼有MOSFET和和GTR的优点，目前广泛应用于变频器。的优点，目前广泛应用于变频器。2.特点与应用场合特点与应用场合 ：IGCTIGCT集集GTO(GTO

23、(可关断晶闸管）和可关断晶闸管）和IGBTIGBT的优点与一身，是理想的的优点与一身，是理想的中压大功率中压大功率开开关器件，电压可达关器件，电压可达6 610KV,10KV,电流容量可达几千电流容量可达几千A A2-5.集成门极晶闸管集成门极晶闸管(IGCT)(IGCT)的结构、工作特点的结构、工作特点1.1.结构结构 ： IGCTIGCT外形结构都等同于外形结构都等同于IGBT IGBT ，但把驱动模块集成在可关，但把驱动模块集成在可关断型晶闸管（断型晶闸管（GTO_GTO_新型新型SCR)SCR)电路中。电路中。2-6.MOS控制晶闸管的控制晶闸管的(MCT)(MCT)管结构、工作特点管

24、结构、工作特点1.1.结构结构 :MOSMOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT)MCT)是将是将MOSFETMOSFET与晶闸管与晶闸管THTH复合而成的，数复合而成的，数以万计以万计MCTMCT单元集成在一起的电压型器件。单元集成在一起的电压型器件。符号和等效电路：符号和等效电路：AKGAGK每个单元等同一个每个单元等同一个PNPN晶闸管及控制晶闸管及控制导通的导通的MOSFET各一个，称为各一个，称为on- FET和和off-FET,形成正反馈。形成正反馈。On-FEToff-FETPNPNPN2.特点：特点：(1)高电压，大电流，高电高电压，大电流，高电流密度，流密度， 通态压降只有通态压

25、降只有GTR的的1/3。（2）开关速度高，损耗小。）开关速度高，损耗小。（3）可以承受极高的）可以承受极高的di/dt;du/dt,保护保护电路简单。电路简单。2-7.“智能智能”电力模块电力模块 ( (IPM) )的结构与工作特点的结构与工作特点 1.1.结构说明及特点：结构说明及特点： 所谓所谓 “智能智能”应该有应该有CPU数字控制单元，严格讲应称为：数字控制单元，严格讲应称为：整体整体集成电力模块集成电力模块 (IPM)，是将电力半导体器件（目前多用是将电力半导体器件（目前多用IGBT)IGBT)和其配套的驱动电路、保护电路、及某些接口电路集成在一起和其配套的驱动电路、保护电路、及某些

26、接口电路集成在一起的模块。这类模块中含有过电流、短路、欠压、过热等保护，的模块。这类模块中含有过电流、短路、欠压、过热等保护，一旦起作用时通过逻辑器件发出故障信号，把主电路关断。一旦起作用时通过逻辑器件发出故障信号，把主电路关断。2.驱动电路参数选择注意事项：驱动电路参数选择注意事项：选择此类模块注意两个电流参数：最大饱和电流选择此类模块注意两个电流参数：最大饱和电流I IC C; ;过流保护动过流保护动作电流作电流I IE EIC=P fCE2fPF3UAC一般选一般选 I IE E=1.2=1.2I IC C式中式中P P为电动机功率；为电动机功率； f fCECE为变频器最为变频器最大过载因数；大过载因数；为电流脉动因数；为电流脉动因数；为变频器效率；为变频器效率；f fCECE为功率因数为功率因数U UACAC为为交流电压