變頻器單元講義

1、功率單元vPWM控制技術(shù)：所謂PWM技術(shù)就是利用半導(dǎo)體 器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，來實(shí)現(xiàn)頻率、電壓控制和消除諧波的一門技術(shù)，自關(guān)斷器件的發(fā)展為PWM技術(shù)鋪平了道路，目前幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用這一技術(shù)，PWM用于變頻器控制可以明顯改善輸出波形，降低電動(dòng)機(jī)的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。v矢量控制技術(shù)：把交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)進(jìn)行控制，它是以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦，它調(diào)速精度高，并具有恒功率控制、轉(zhuǎn)矩按比例控制等優(yōu)良的特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可實(shí)現(xiàn)快速四象限運(yùn)行，可

2、控制失速轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在低速時(shí)采用減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的措施，可擴(kuò)大調(diào)速范圍，缺點(diǎn)是控制特性受電機(jī)參數(shù)影響大，需要輸入準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)，否則轉(zhuǎn)矩控制不夠準(zhǔn)確。功率單元分類1、通用型功率單元2、能量回饋功率單元通用型功率單元外形能量回饋型功率單元外形通用型功率單元介紹v原理介紹v器件介紹v內(nèi)部原理框圖介紹單元原理介紹v功率單元原理框圖LLK原理說明v輸入電源端R、S、T接移相變壓器二次線圈的三相低壓輸出（690VAC），經(jīng)三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。 功率單元控制方式說明v功率單元通過光纖接收信號(hào)，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方

3、式，控制Q1Q4 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個(gè)單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當(dāng)Q1和Q2或者Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。 輸出波形圖功率單元旁路介紹v功率單元可選單元旁路功能，當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生缺相故障、過熱和驅(qū)動(dòng)故障而不能繼續(xù)工作時(shí)，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元將自動(dòng)旁路，此時(shí)旁路開關(guān)K導(dǎo)通，以保證變頻器連續(xù)工作，并發(fā)出旁路報(bào)警。單元旁路時(shí)，變頻器因運(yùn)行單元數(shù)量減少，額定輸出電壓能力將降低，但當(dāng)變頻器本身運(yùn)行頻率較低，如6kV系列運(yùn)行頻率低于40H

4、z時(shí)， 10kV系列運(yùn)行頻率低于43.7Hz時(shí)，變頻器將自動(dòng)提高工作單元的輸出電壓，而保證變頻器輸出性能不變，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)自動(dòng)旁路。（注：功率單元故障有驅(qū)動(dòng)故障、過熱故障、缺相故障三種） 功率單元控制以及驅(qū)動(dòng)介紹v每個(gè)功率單元內(nèi)均由一塊控制板和一塊驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成?？刂瓢鍁控制板原理圖 XS115V+V-高壓控制電源+15VVCCGND過壓檢測(1150V)(直流電壓輸入)XS285缺相檢測(交流電壓輸入690VAC)1XS4(接收)2521XS3(發(fā)送)1521故障編碼邏輯接收解碼LR/INHBBYPASS電源故障光纖故障XS8(常閉)GND單元過熱檢測XS616123456789101112131

5、415GNDVCC+15VRL/INHB/DRCPLD隔離驅(qū)動(dòng)13KUP+KUP-XS712/RINHBv控制板工作原理介紹控制板工作原理介紹 控制板通過光纖（XS4）接收來自控制器的信號(hào)，經(jīng)CPLD接收解碼器解碼后用于對IGBT及旁路開關(guān)（可選）的控制。同時(shí)，控制板上還有各種單元故障檢測電路，如過熱檢測、缺相檢測、直流母線過壓檢測、電源故障監(jiān)測、光纖故障監(jiān)測、驅(qū)動(dòng)故障檢測等，這些故障信號(hào)經(jīng)過故障編碼邏輯電路編碼后，由光纖（XS3）發(fā)送回控制器，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)（接口板輸出故障保護(hù)跳閘及故障報(bào)警指示）和故障記憶（人機(jī)界面顯示故障原因、時(shí)間、位置，并保存）。 控制板上的控制電源直接取自直流母線（通過

6、XS1），經(jīng)過開關(guān)電源的隔離和變換后得到所需控制電源。因此，高壓電源失電后，控制電源并不會(huì)立即消失，控制板上的電源指示燈經(jīng)過幾分鐘后才能熄滅。這種取電方式可以確保高壓電源瞬時(shí)停電跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)。 單元驅(qū)動(dòng)板v單元驅(qū)動(dòng)板原理框圖XS516123456789101112131415GNDVCC+15VRL/INHB/DRDRC/ERDCTDRGDGND125DRCM驅(qū)動(dòng)控制模塊1XS1L+GV+V-L+V+L+V-DRC/ERDCTDRGDGND125DRCM驅(qū)動(dòng)控制模塊2XS2L-GV+V-L-V+L-V-DRC/ERDCTDRGDGND125DRCM驅(qū)動(dòng)控制模塊3XS3R+GV+V-R+V+R

7、+V-DRC/ERDCTDRGDGND125DRCM驅(qū)動(dòng)控制模塊4XS4R-GV+V-R-V+R-V-隔離電源1L+V+L+GL+V-+15V隔離電源3L-V+L-GL-V-隔離電源2R+V+R+GR+V-隔離電源4R-V+R-GR-V-GNDv單元驅(qū)動(dòng)板原理及其功能介紹：v驅(qū)動(dòng)板用于產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將IGBT的故障信號(hào)反饋到單元控制板。驅(qū)動(dòng)板通過端子XS5與控制板端子XS6相連，其中L控制左橋臂上的Q1、Q3 兩個(gè)IGBT，R控制右橋臂上的Q2、Q4 兩個(gè)IGBT，Q1、Q3和Q2、Q4通過反相器互鎖；/INHB為IGBT禁止信號(hào)；/DR為IGBT的故障信號(hào)，反饋回控制板用于單元保

8、護(hù)。v驅(qū)動(dòng)板上的電源來自控制板，其中+15V電源被隔離成4路電源，輸出為：+15V和-10V電源分別用于4個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)。能量回饋型功率單元介紹能量回饋型功率單元原理介紹v功率單元利用IGBT進(jìn)行同步整流，同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測單元電網(wǎng)輸入電壓，利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位，控制整流逆變開關(guān)管所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差，便可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。逆變相位超前，功率單元將電能回饋給電網(wǎng)，反之電功率由電網(wǎng)注入功率單元。電功率大小與相位差成正比。電功率的大小及流向由單元電壓決定，就同步整流而言，整流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓電源，與電功率大小及方向相對應(yīng)的電網(wǎng)與逆變相位差由單元電

9、壓與單元整定值之間的偏差通過PID調(diào)節(jié)生成。器件介紹v熔斷器熔斷器介紹v熔斷器是根據(jù)電流超過規(guī)定值一定時(shí)間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開的原理制成的一種電流保護(hù)器。熔斷器廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及用電設(shè)備中，作為短路和過電流保護(hù)，是應(yīng)用最普遍的保護(hù)器件之一。熔斷器是一種過電流保護(hù)電器。熔斷器主要由熔體和熔管兩個(gè)部分及外加填料等組成。使用時(shí)，將熔斷器串聯(lián)于被保護(hù)電路中，當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過規(guī)定值，并經(jīng)過一定時(shí)間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體，使電路斷開，起到保護(hù)的作用。以金屬導(dǎo)體作為熔體而分?jǐn)嚯娐返碾娖?。串?lián)于電路中，當(dāng)過載或短路電流通過熔體時(shí)，熔體自身將發(fā)熱而熔斷

10、，從而對電力系統(tǒng)、各種電工設(shè)備及家用電器起到保護(hù)作用。具有反時(shí)延特性，當(dāng)過載電流小時(shí)，熔斷時(shí)間長；過載電流大時(shí)，熔斷時(shí)間短。因此，在一定過載電流范圍內(nèi)至電流恢復(fù)正常，熔斷器不會(huì)熔斷，可以繼續(xù)使用。熔斷器主要由熔體、外殼和支座3 部分組成，其中熔體是控制熔斷特性的關(guān)鍵元件。 整流橋v二極管只允許電流單向通過，所以將其接入交流電路時(shí)它能使電路中的電流只按單向流動(dòng)，即所謂“整流”。 整流電路一般分“半波整流電路”和“全波整流電路”以及所謂“橋式整流電路”，其連接方式與所用整流元件數(shù)量都不同，效率也不相同，以四個(gè)性能相同的整流元件（二極管）連接成橋式電路整流效果最好，將構(gòu)成橋式整流電路的整流元件封裝在

11、一起，成為一個(gè)整體的元件，一般叫整流電橋，或橋堆.v交流輸入接整流橋串聯(lián)點(diǎn)，整流輸出是：正出負(fù)，負(fù)出正，整流橋是雙正出負(fù)，雙負(fù)出正。v如圖所示單相整流電路:三相整流電路介紹:三相整流電路介紹v通用型變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號(hào)和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相690V時(shí)，整流器件的最大反向電壓一般為16002200V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。 整流橋?qū)嵨飯D電

12、解電容濾波電路介紹v濾波電路 變頻器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)，無論異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動(dòng)機(jī)之間，總會(huì)有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲(chǔ)能元件來緩沖。同時(shí)，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動(dòng)，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。 通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個(gè)阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會(huì)嚴(yán)重制約

13、變頻器的壽命 IGBT逆變電路v逆變電路 逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公

14、司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHz，保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時(shí)輸出故障信號(hào)燈。v逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)，同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)，對換流

15、器件進(jìn)行保護(hù)。 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng) 1. 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng) A、電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述B、晶閘管的觸發(fā)電路C、典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義對器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或

16、關(guān)斷的信號(hào) 對半控型器件只需提供開通控制信號(hào)對全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖C-1 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R11.6.1 1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 具體形式可為分立元件的分立元件的，但目前的趨勢是采用 專用集成驅(qū)動(dòng)電

17、路專用集成驅(qū)動(dòng)電路 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路 為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1. 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTOGTO的開通控制開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流 使GTO關(guān)斷關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力OttOuGiG圖圖C-2推薦的推薦的GTO門門極電壓電流波形極電壓電流波形典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)

18、動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式脈沖變壓器耦合式和直接耦合式直接耦合式兩種類型直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路：典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路二極管VD1和電容C1提供+5V電壓VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整 流電路提供+15V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖V2開通時(shí)輸出正脈沖平頂部分V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)

19、偏壓50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4圖C-3典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR開通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之 不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓 圖C-4理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形tOib典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分部分二極管VD

20、2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路貝克箝位電路，也即一種抗飽和抗飽和電路，負(fù)載較輕時(shí)，如V5發(fā)射極電流全注入V，會(huì)使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc0。C2為加速開通過程的電容。開通時(shí)，R5被C2短路。可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通 圖C-5GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路：THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全

21、控型器件的驅(qū)動(dòng)電路2. 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取 -5 -15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分無輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)

22、A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓 專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。 A+-MOSFET20 V20 VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1- VCC+ VCC圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng) 多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器 圖C-6M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖13故障指示檢測端VCC接口電路門極關(guān)斷電路定時(shí)及復(fù)位電路檢測電路415861413uoVEE8154

23、6-10V+15V30V+5 VM57962 L14ui1快恢復(fù)trr0.2s4.7k 3.1 100 F100 F典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）內(nèi)部具有退飽和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號(hào)M57962L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為 -10V。13故障指示檢測端VCC接口電路門極關(guān)斷電路定時(shí)及復(fù)位電路檢測電路415861413uoVEE81546-10V+15

24、V30V+5VM57962 L14ui1快恢復(fù)trr0.2 s4.7k 3.1100F100F圖圖C-7M57962L型型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖1.4.4 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)， 具有好的特性 1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT1. IGBT的結(jié)

25、構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖C-8 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 圖C-7N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1 使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從

26、而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT IGBT的原理的原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定 導(dǎo)通導(dǎo)通：，uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通 導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小 關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流

27、被切斷，IGBT關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT2. IGBT的基本特性的基本特性 1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖C-8 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為26V輸出特性輸出

28、特性（伏安特性）以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT IGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_

29、通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行開通延遲時(shí)間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10% ICM 電流上升時(shí)間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間 開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tf v 2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程 （開關(guān)過程圖）絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程（開關(guān)過程圖）（開關(guān)過程圖）關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 從uGE后沿下降到其幅 值90%的時(shí)刻起，到i

30、C下降至90%ICM 電流下降時(shí)間iC從90%ICM下降至10%ICM 關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBT IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)3. IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES

31、由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2) 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBTIGBTIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)的特性和參數(shù)特點(diǎn)(1) 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上 時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力 MOSFET相當(dāng)(2) 相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR 大，且具有耐脈沖電流沖擊能力(3) 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較 大的區(qū)域(4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5) 與MOSFET和GT

32、R相比，耐壓和通流能力還可 以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn) 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT IGBT 4. IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 寄生晶閘管寄生晶閘管由一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ

33、1IDRonb)GCc)圖C-9 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)1.4.4 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對集電極電流的控制作用，電流失控動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 其他新

34、型電力電子器件其他新型電力電子器件 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 MOSMOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SITSIT靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路MOSMOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開關(guān)過程 晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為

35、：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFETMCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SITSITSIT（Static Induction Transistor）1970年，結(jié)型場效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合在雷

36、達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用缺點(diǎn)缺點(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通正常導(dǎo)通型型器件，使用不太方便通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH SITH（Static Induction Thyristor）1972年，在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到，因其工作原理與SIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此SITH又被稱為場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT） 比SIT多了一個(gè)具有少子注入

37、功能的PN結(jié)， SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件 SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor），也稱GCT（Gate-Commutated Thyristor），20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置單元故障檢測及其維護(hù)故障檢測及排除方法：故障檢測及排除方法：v熔斷器故障：檢測到單元缺相時(shí)，報(bào)單元熔斷器故障。請檢查是否因?yàn)橹麟娫赐ｋ娨穑?/p>