第2章伺服控制基础知识(新)

伺服控制系统嘉兴学院jaxingUniversity主讲张今朝第2章伺服控制基础知识

内容提要第一节电力电子器件的应用

第二节检测元件第一节电力电子器件的应用一、按照器件被控制电路信号所控制的程度分为以下三类：

1．不可控器件----不能用控制信号来控制其通断：

电力二极管（PowerDiode）

2．半控型器件----控制信号可以控制其导通而不能控制其关断：

晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件

器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定

3．全控型器件----控制信号既可控制其导通又可控制其关断：●门极可关断晶闸管(GTO)●电力晶体管（GTR)●

绝缘栅双极晶体管（IGBT）●

电力场效应晶体管（简称为电力MOSFET）二．以加在器件上的驱动信号性质分为两类：

1．电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现器件的导通或者关断；

2．电压驱动型：通过在控制端施加一定的电压信号实现器件的导通或者关断；三．以加在器件上的驱动信号波形分为两类：

1．脉冲触发型：通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的

控制；

2．电平控制型：通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通

并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态；四．按器件内部两种载流子参与导电的情况分为三类：

1．单极型器件：由一种载流子参与导电的器件；

2．双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；

3．复合型器件：由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。一、不可控器件二极管是一种不可控器件，二极管在电路中常用VD表示。结构简单、工作可靠，在整流、逆变电路中广泛应用；工作原理：与普通的二极管一样以半导体PN结为基础；外形：主要有螺栓型和平板型两种封装；当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态；当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。从伏安特性可见，当阳极电压大于阴极电压0.7V时二极管导通,当施加反向电压值达到击穿电压时二极管被击穿。利用二极管具有的单方向导电性，在电路中广泛用作：整流、箝位、隔离和续流。变流电路中用于整流和续流的二极管是功率二极管。PANKc)JIb)AK★

造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素：●

垂直导电结构能提高电力二极管的通流能力；●为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大；●

在高频电路中，PN结电容CJ

对其工作性能会造成影响，使单向导电性变差；●

电流密度大时，引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响，

其压降在1V以上；●

在使用中承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。1.正向平均电流IF(AV)

额定电流：在指定管壳温度（壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。★正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按

有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。★当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小，不能忽视。电力二极管的主要参数2．正向压降UF

：指器件在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时所对应的正向压降。3．反向重复峰值电压URRM：对器件所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。4.最高工作结温TJM：结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示

TJM是指在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度，TJM

通常在125～175C范围之内。5.反向恢复时间trr：trr=td+tf

关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。6.浪涌电流IFSM指器件所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电力二极管的主要类型1.普通二极管（整流二极管）●多用于开关频率不高于1kHz的整流电路中；●其反向恢复时间较长，一般在5s以上；●正向定额电流可达数千安、反向电压定额在数千伏以上；2.快恢复二极管●反向恢复过程在5s以下的二极管，也简称快速二极管；●从性能上又可分为快速恢复和超快速恢复两个等级：

快速恢复反向恢复时间为数百纳秒或更长；

超快速恢复则在100ns以下，甚至达到20~30ns；●但其反向耐压多在400V以下；3.肖特基二极管●反向恢复时间更短（10~40ns）●反向耐压200V以下二、半控型器件晶闸管(SCR)

双向晶闸管(TRIAC)晶闸管(SCR)晶闸管的结构和符号

晶闸管的工作原理

晶闸管的伏安特性

晶闸管的结构和符号

晶闸管是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。外形有螺栓型和平板型两种封装型式；引出阳极A、阴极K和门极G（控制端）三个联接端；螺栓型封装，螺栓是其阳极，可与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管由两个散热器将其夹在中间。晶闸管是由四层半导体构成的。图2-2a)所示为螺栓形晶闸管的内部结构，它主要由单晶硅薄片P1，N1，P2，N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。图2-2b)和c)分别为其示意图和表示符号。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIC2IC1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)双晶体管模型b)工作原理图1．正向电压：

J2

结反向偏置，不导通；2．反向电压：

J1、J3结反向偏置，不导通；3．在正向电压时注入IG：

经V2放大产生IC2,形成V1的基流

Ib1，又经V1

放大形成

IC1

注入V2，最终形成正反馈，晶闸管导通；4．晶闸管导通后撤掉IG，晶闸管仍维持导通；5．关断：撤掉维持导通的正向电压或施加反向电压使其阳极电流IA

下降到某一数值以下，晶闸管才能关断。6.触发、半控型器件。晶闸管的工作原理起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时(正常时6V）晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值(或断开，或反向)。所以说晶闸管是控制导通而不控制关断的半控器件。晶闸管的PN结可通过几十至几百安的电流，因此它是一种大功率的半导体器件。由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极问的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻RL上。★

其他几种可能导通的情况：●阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；●阳极电压上升率du/dt过高；●结温较高；●光直接照射硅片，即光触发。可用此方式制成光触发晶闸管，可保证控制电路与主电路之间的良好绝缘，应用于高压电力设备中；●只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。1．正向特性：器件施加正向电压，IG=0

时，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过；正向电压超过临界极限正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通；●随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；●导通后其特性和二极管的正向特性相仿，压降很小，在1V左右；●导通后，当IG＝0且IA降至接近于零的某一数值

IH以下，晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。

在额定结温和控制极断开的条件下，阳-阴极间加正弦半波正向电压，使元件由阻断状态发生正向转折，变成导通状态所对应的电压峰值，称为正向转折电压，用Ubo表示。晶闸管的伏安特性2．反向特性：器件上施加反向电压，其特性类似二极管反向特性；3．门极伏安特性：门极和阴极之间的伏安特性称为门极伏安特性；●门极触发电流是通过在门极和阴极之间施加触发电压而产生的，阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端；●为保证安全可靠的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区中。晶闸管的主要参数一．电压定额

1．断态重复峰值电压UDRM：

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2．反向重复峰值电压URRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

3．通态（峰值）电压UTM：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

4．额定电压：取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量。★

在选用晶闸管时：

取额定电压为晶闸管正常工作时所承受峰值电压的2～3倍。(二)双向晶闸管(TRIAC)双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件(BidirectionalTriodeThyristor)它和单向晶闸的区别是：第一，它在触发之后是双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单向晶闸管反向并联组成。双向晶闸管的特性和单向晶闸管的正向特性有点相近；只不过多了一个完全相同的反向特性而已，可见双向晶闸管具有双向导通及控制的性质。图2-5中给出的是第一、三象限的伏安特性，在这两个象限中，双向晶闸管能够实现最可靠触发导通。而第二、四象限一般是不用于触发工作。双向晶闸管可以用作固态继电器、过零开关等。作为交流开关它有很广泛的应用。图2-5晶闸管的派生器件,还包括：a．快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)

★

专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。★其管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt

和

di/dt

的耐量都有明显改善；

★普通晶闸管关断时间为数百微秒，而快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10s

左右；

★高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都低于普通晶闸管；

★由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗产生的发热效应。b．逆导晶闸管RCT（ReverseConductingThyristor）★

晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件★具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点★有两个额定电流：晶闸管及反并联二极管的额定电流。C光控晶闸管LTT（LightTriggeredThyristor）

★

又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管；

★

小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子；

★

大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器；★

光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。三、全控型器件变频调速技术的发展同现代功率开关器件的研制与发展是密切相关的。由于晶闸管(SCR)和双向晶闸管（TRIAC）元件不具备自关断能力，且开关速度低，限制了常规晶闸管变频器的性能与应用范围。80年代以来，各种具备自关断能力的全控型、高速型功率集成器件不断研制成功，使得变频器技术跨人了电力电子技术的新时代。(一)双极型器件

可关断晶闸管GTO(GateTurn-offThyristor)功率晶体管GTR(GiantTransistor)

静电感应晶闸管SITH(StaticlnductionThyristor)

结构（和普通晶闸管相对比）●

相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极●

不同点：

GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。1.门极可关断晶闸管GTO(20世纪60年代)(1)门极关断晶闸管简介门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）是晶闸管的一种派生器件，导通控制与普通晶闸管一样。并可通过在其门极施加负的脉冲电流使其关断，GTO的电压、电流容量与晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。高电压大电流双极型全控器件，如5000V、4500A和9000V、1000A，工作频率1~2kHzGTO的内部结构和电气图形符号（a）各单元的阴极、门极间隔排列的图形（b）并联单元结构断面示意图（c）电气图形符号★

导通过程：与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅★

关断过程：门极加负脉冲即从门极抽出电流●

多元集成结构使GTO比普通晶闸管开通快，承受di/dt能力强。缺点:门极反向关断电流大，开关缓冲电路要消耗一定能量。结间电容扩散电阻(2)双电源门极电路GTO额定参数为200A、600V门极导通门极关断反偏电路主要用于三相GTO逆变器(3)脉冲变压器门极电路600AGTO开通、关断的实例脉冲变压器门极电路可提供较大的门极负电流。使用时注意脉冲变压器的漏抗以及传送脉冲的宽度，尽量采用高频脉冲列触发，以便减小体积。注意VT和VD3的作用适用于逆变器上下桥臂触发电路

20kHz开通指令

解决脉冲变压器上升率和采用大电容

放电而增大电路问题2.电力晶体管GTR★

半导体晶体管：分单极型和双极结型两种●场效应管：参与导电的载流子只有一种，电子或空穴；●双极结型晶体管：两种载流子电子和空穴都参与导电；★电力晶体管（GiantTransistor——GTR）●直译为巨型晶体管；●英文有时候也称为PowerBJT（BipolarJunctionTransistor）●是耐高电压、大电流的双极结型晶体管；★在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效应用★从20世纪80年代以来，电力晶体管在中、小功率范围内取代了晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代；(1)GTR的特性★

原理同普通晶体管，主要特征：耐压高、电流大、开关特性好；★结构采用至少由两个晶体管组成的达林顿接法单元结构，后将许多这种单元采用集成电路工艺并联而成；★使用时常用共发射极接法，集电极电流ic

与基极电流ib

之比

反映了基极电流对集电极电流的控制能力，称为：共发射极电流放大系数；★

GTR的产品说明书中通常给出的是直流电流增益hFE，它是在直流工作情况下，集电极电流与基极电流之比，一般认可β=hFE。

达林顿晶体管★电气图形符号

bceGTR的静态特性★在共发射极接法时的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区三个区域。★在电力电子电路中，GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。★在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce共发射极接法时GTR的输出特性GTR的主要参数●

GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。●击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。●发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo

基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo

发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer和BUces

发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex

且存在以下关系：●实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。目前常用的GTR器件有单管达林顿和达林顿模块两大系列(2)达林顿GTR和GTR模块(3)基极驱动电路基极驱动电路直接影响GTR的工作状况，基极驱动需考虑三个方面:最优化驱动、驱动方式和自动快速保护1)最优化驱动过驱动电流IB1驱动维持电流IB2反向基极驱动电流IB32)驱动方式基极驱动电路驱动方式:直接驱动隔离驱动后两种为改进形式，目的是为了获得的近乎理想的基极驱动电流波形R3、R4分压电阻产生功耗RC为加速环节采用推拉式不需R3R4分压电阻，减小功耗开关频率1KHZ以上常用电磁隔离光电隔离

3.静电感应晶闸管(SITH)又称场控晶闸管在栅极上加反向偏压时为阻断状态，除去反向偏压即为导通状态。其工作温度高，动态特性均匀，导通电阻小，正向压降低，开关速度快，开关损耗小，、耐量大。但制造工艺复杂，目前尚未达到实用阶段。1.功率场控晶体管(PowerMOSFET)2.静电感应晶体管SIT(StaticlnductionTransistor)3.功率集成电路(PowerIntegratedCircuit,PIC)4.绝缘门极晶体管(InsulatedGateBipolarThyristor,IGBT)

(二)单极型器件单极型器件是指器件内部只有多数载流子参与导电的半导体功率器件1.功率场效应晶体管(PowerMOSFET)电压控制器件，驱动功率小、工作速度高、开关时间短，一般为ns数量级，工作频率可达30kHz。耐压等级为1000V，电流等级为200A(1)基本工作原理★

电力MOSFET按导电沟道可分为：P沟道和N沟道两种种类；★根据栅极电压的状态又可分为：耗尽型和增强型两种种类

耗尽型：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道

增强型：对于N/P

沟道器件，栅极电压大于/小于零时存在导电沟道★

电力MOSFET主要是：N沟道增强型；

★

导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管

电力MOSFET的工作原理（VVMOSFETVDMOSFET）★

截止：栅源电压为零，漏源加正电压

P

基区与N

漂移区之间形成的PN结J1

反偏，漏源间无电流流过；★导电：栅源电压UGS＞0

时，栅极绝缘无栅极电流流过。UGS会将栅极下面

P区中的空穴推开，并将P区中电子（少子）吸引到栅极下面的P区表面●

当UGS＞UT（开启电压）时，栅极下P区的表面电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。MOSFET的结构和电气图形符号(2）静态特性与参数

①输出特性②饱和压降特性③转移特性1)静态特性VGS

与IDVGS、ID与VDS可调电阻区I、饱和区II、雪崩区III非线性

2)静态参数

①通态电阻Ron②开启电压Vgs(th)③（非线性)跨导gm④漏极击穿电压BVDS⑤栅源击穿电压BVGS⑥最大漏极电流IDM测量条件为VGS=10V，VDS为某个适当数值在确定的栅压下，功率MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通太电阻

2)动态特性与参数

主要影响功率MOSFET的开关瞬态过程动态特性与参数包含:开关过程、开关时间、极间电容、源漏二极管特性、漏源极耐量

极间电容：

CGS、CGD和CDS

一般厂家仅提供：漏源极短路时的输入电容

Ciss、共源极输出电容Coss

和反向转移电容Crss，他们之间的关系为：

Ciss

＝

CGS

＋CGD

Crss＝

CGD

Coss

＝

CDS

＋

CGD★

输入电容可近似用Ciss代替；★这些电容都是非线性的；★漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET

的安全工作区；★电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点，实际使用中仍应注意留适当的裕量。输入电容等效电路开关时间与器件的极间电容和寄生电感有关，它们之间的关系都是非线性的。开通时间ton延时时间td上升时间tr关断时间toff存储时间ts下降时间tf(3）栅极驱动电路

1)栅极驱动的特点功率MOSFET的驱动电路要比GTR的驱动电路简单得多功率MOSFET为单极型器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因为开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单，但极间电容较大，因而工作速度与驱动源内阻抗有关。两只电阻分压驱动推拉式电路和贝克钳位电路来保证开关速度MTM2N90MJ8085GTR开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。

关断时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏。2)驱动电路类型①直接驱动电路②隔离驱动电路

由于功率MOSFTE的输入阻抗极高，所以可以用TTL器件或CMOS器件直接驱动②隔离驱动电路电磁隔离R1限流电阻R2防止栅极开路光隔离VT3光耦输出接成射极跟随器当VT3导通，VT2截止射极跟随器：信号从基极输入，从发射极输出的放大器。特点:输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级；也可用它连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。VT1和VT2为脉冲放大器3)驱动电路实例①实用的推拉式驱动电路正向驱动VT1、VT3Vi高电平反向驱动VT2、VT4Vi低电平R1C1与功率MOSFET钳位时间长短有关。优点:提供较大的驱动电流，较快的开关速度。加速网络VT1钳位时间有R1C1决定②正反馈栅极驱动电路特点:

利用正反馈来加速开通过程是一种高速开关电路。开通过程中，二次侧绕组不停地给栅极施以正反馈电压，从而加速了VT1的开通过程，缩短了开通时间③窄脉冲栅极

驱动电路VT2VT3双稳态触发器VT1VT2正反馈互锁电路记忆开关信号C0C1C2储能Rd防误导通R6、VD3、VD4组成自保护电路

④高速关断驱动电路主开关VT0辅助开关VT1控制开关VT2输出变压器T1控制变压器T2特点:主电路给VT0一个很大的反向栅极电流，可以形成高峰值反向栅极电流，使关断速度提高。VT2开通时—VT0开通——VT1关断VT2关断时----VT1开通---VT0关断----W1W2

电动势相反----VD1阻断主开关VT0辅助开关VT1控制开关VT2输出变压器T1控制变压器T2特点:主电路给VT0一个很大的反向栅极电流，可以形成高峰值反向栅极电流，使关断速度提高。VT2开通时++通+++断主开关VT0辅助开关VT1控制开关VT2输出变压器T1控制变压器T2特点:主电路给VT0一个很大的反向栅极电流，可以形成高峰值反向栅极电流，使关断速度提高。VT2关断时-断++通(三)混合型器件混和型器件又称复合型器件，是指双极型和单极型器件的集成混合器件。混合型器件既具备双极型器件电流密度高、导通压降低的优点，又具备单极型器件输入阻抗高、开关速度快的优点，其中IGBT器件也不存在二次击穿问题。1.MOS门极晶体管2.MOS晶闸管3.功率集成电路★

绝缘栅双极晶体管IGBT

（Insulated-gateBipolarTransistor）★

IGBT结合了GTR

和MOSFET二者的优点，是两类器件取长补短相结合而形成的复合器件Bi－MOS，该器件具有良好的特性；★

GTR的特点：双极型、电流驱动、具有电导调制效应，通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；★

MOSFET的特点：单极型、电压驱动、开关速度快、输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。★

1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，在中小功率电力电子设备中成为主导器件；★其电压和电流容量的容量正在逐步提高，以期取代GTO的地位。

4.绝缘门极晶体管(绝缘栅双极晶体管）IGBT，电流容量为10~400A,电压等级为500~1400V，工作频率达10~30KHZ，在中频以上交流电源、各种直流开关电源及其他要求高速度、低损耗的领域，IGBT有取代GTR、MOSFET的趋势。(1)基本工作原理1．图形符号和结构

具有栅极G、集电极C

、发射极

E，为三端器件IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a）内部结构断面示意图b）简化等效电路EGCN+N－PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GCEGEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonRN调制电阻c）电气图形符号2．IGBT的结构★

N沟道的VDMOSFET

与GTR的组合，构成N沟道IGBT（N-IGBT）★

IGBT

比VDMOSFET

多一层P+

注入区，形成了一个大面积的P+N

结，从而使IGBT

导通时由P+

注入区向N—漂移区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT

具有很强的通流能力；EGCN+N－PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J13．IGBT的原理★

驱动原理与MOSFET基本相同，属场控器件，由栅射电压UGE控制；★

导通：当UGE大于开启电压

UGE(th)

时，MOSFET

内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；

导通压降：电导调制效应使电阻RN

减小，使通态压降小；★

关断：栅射极之间施加反压或不加信号时，MOSFET

内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断；★

简化等效电路表明：IGBT是GTR

与

MOSFET

组成的达林顿结构，一个由

MOSFET

驱动的厚基区PNP

晶体管；★

RN为晶体管基区内调制电阻。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonRN调制电阻!!!!!二．IGBT的基本特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性输出特性1．IGBT的静态特性（1）转移特性

IC与UGE间的关系，与MOSFET

转移特性类似；（2）开启电压UGE(th)IGBT实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)

，随温度升高而略有下降，在＋25C时，UGE(th)的值一般为2～6V；1．IGBT的静态特性（3）输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE

间的关系，分为三个区

●正向阻断区，对应于GTR

的截止区；

●有源区，对应于GTR

的放大区；

●饱和区，对应于GTR

的饱和区；（4）当UCE<0

时，IGBT处于反向阻断工作状态。O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性输出特性由图可知，IGBT的伏安特性与GTR基本相似，不同之处是，控制参数是门源电压VGS，而不是基极电流。伏安特性分为饱和区、放大区和击穿区。bce门源(栅射)电压VGS基极电流IbGTRIGBT2．IGBT

的动态特性（1）开通时间

ton＝开通延迟时间td(on)

＋电流上升时间tri＋电压下降时间tfv开通过程与MOSFET的开通过程相似；IGBT的开通过程2．IGBT的动态特性（2）关断时间toff

＝关断延迟时间td(off)

＋电压上升时间

trv＋电流下降时间tfi★

因IGBT中双极型PNP晶体管的存在，带来了电导调制效应的好处；但也引入了少子储存现象，因而IGBT

的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的关断过程三．IGBT的主要参数1．最大集射极间电压UCES

：由内部PNP晶体管的击穿电压确定；2．最大集电极电流：包括额定直流电流IC

和1ms脉宽最大电流ICP；3．最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗

；4．IGBT的特性和参数特点：（1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR

的1/10，与电力MOSFET

相当；（2）与电压和电流定额相同的GTR比，安全工作区更大，且具有耐脉冲电流冲击能力；通态压降比MOSFET

低，特别是在电流较大的区域；（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET

类似；（5）与MOSFET

和GTR

相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持了开关频率高的特点。5．正偏安全工作区（FBSOA）

门极正偏时，IGBT由阻断到导通及导通状态的参数极限范围由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定；6．反向偏置安全工作区（RBSOA）

门极反偏时，IGBT由导通到阻断及阻断状态的参数极限范围由最大集电极电流、最大允许电压上升率duCE/dt和最大集射极间电压确定；★

IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件，使用时应引起注意。

IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路特点IGBT驱动电路的特点：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。GTR驱动电路的特点：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。GTO驱动电路的特点：GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。混合型器件

MOS门极晶体管MGT(MOSGateTransistor)绝缘门极晶体管IGBT(InsulatedGateBipolar)MOS晶闸管MCT(MOS-CoutrolledThyristor)功率集成电路PIC(PowerIntegratedCircuit)其他新型电力电子器件集成门极换流晶闸管IGCTIGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）★

IGCT

也称为：GCT（Gate-CommutatedThyristor）；★

90年代后期问世，结合了IGBT

与GTO

的优点，容量与GTO

相当，开关速度快10倍；★且可省去GTO

庞大而复杂的缓冲电路，不过所需的驱动功率仍很大；★目前正在与IGBT

等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO

，用在大功率场合的位置。功率集成电路PIC功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuits）是将输出的功率器件及其驱动电路、保护电路和接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，也称为智能功率集成电路。从电压、电流来看，PIC可分为三个领域：低压大电流PIC，主要用于汽车点火、开关电源和同步发电机等。高压小电流PIC，主要用于平板显示、交换机等。高压大电流PIC，主要用于交流电机控制、家用电器等。第二节检测元件

速度检测角度（角位移）检测位置检测一、速度检测在伺服系统中，机械的运动速度控制是最基本的控制内容。速度检测元件的正确选择和构成速度负反馈控制的电路形式，对是否能满足系统的要求十分重要。速度闭环控制系统中，常用的速度检测元件一般分为二类，即：模拟速度检测元件和数字速度检测元件。测速发电机就是一种模拟速度检测元件，由测速发电机构成的速度闭环控制系统，其精度控制在3﹪之内已属不易。测速发电机是一种微型发电机，它的作用是将转速变为电压信号，在理想状态下，测速发电机的输出电压Uo可以用下式表示：

Uo＝K*n＝KK′dθ/dt

式中，KK′——比例常数(即输出特性的斜率)；

n及θ——测速发电机转子的旋转速度及旋转角度。测速发电机主要有两种用途：测速发电机的输出电压与转速成正比，因而可以用来测量转速，故称为测速发电机；如果以转子旋转角度为参数变量，则可作为机电微分、积分器。测速发电机广泛用于速度和位置控制系统中。根据结构和工作原理的不同，测速发电机分为直流测速发电机、异步测速发电机和同步测速发电机，但后者用得极少。(一)异步(交流)测速发电机

异步测速发电机的结构如图：输出绕组感应产生的电势实际就是交流异步测速发电机输出的空载电压，其大小正比于转速，其频率为励磁电源的频率。空心杯转子交流测速发电机原理图(二)直流测速发电机

直流测速发电机是一种用来测量转速的小型他励直流发电机，其工作原理如图。1.基本原理空载时

电枢两端电压2.特性负载电阻越小和转速越高，输出特性曲线弯曲得越厉害，因此，在精度要求高的场合，负载电阻必须选得大些，转速也应工作在较低的范围。3.直流测速发电机与异步测速发电机的性能比较异步测速发电机优点：不需要电刷和换向器，因而结构简单，维护容易，惯量小，无滑动接触，输出特性稳定，精度高，摩擦转矩小，不产生无线电干扰，工作可靠，正、反向旋转时输出特性对称。缺点：存在剩余电压和相位误差，且负载的大小和性质会影响输出电压的幅值和相位。直流测速发电机优点：没有相位波动，没有剩余电压，输出特性的斜率比异步测速发电机的大。缺点：由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转矩大，有换向火花，产生无线电干扰信号，输出特性不稳定，且正、反向旋转时，输出特性不对称。

(三)光电测速盘光电测速原理

电动机旋转方向辨别

数字测速方法

1.光电测速原理脉冲频率2.电动机旋转方向辨别触发器是上升沿触发：即触发器的状态等于C上升沿前D的状态。CC*****D触发器工作原理3.数字测速方法

在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有M法测速﹑T法测速和M/T法测速三种：M法测速是指：在规定时间间隔Tg内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值；T法测速是指：测量相邻二个脉冲的时间Ttach来确定被测速度值；M/T法测速是指：同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测速度值。对分辨率而言，T法测速时较高，随着速度的增大，分辨率变差。M法则相反，高速时较高，随着速度降低，分辨率变差。M/T法的分辨率/速度是常数，与速度无关，因此它比前两种方法都好。二、角度（角位移）检测在伺服系统中测角（位移)的方法很多，常用的有：电位计差动变压器微同步器自整角机旋转变压器等(一)差动变压器和微同步器

当铁心或转子偏离中间