電力電子實驗四BJT單相并聯(lián)逆變電路

1、BJT 單相并聯(lián)逆變電路一、實訓目的1、熟悉由功率雙極晶體管（BJT）組成的單相并聯(lián)逆變電路的工作原理。2、了解功率雙極晶體管的驅(qū)動和保護。3、掌握無源逆變電路的調(diào)試及負載電壓、電流參數(shù)和波形的測量。二、實訓電路1、 實訓電路如圖下畫所示2、實訓電路工作原理實訓電路由脈沖發(fā)生電路（控制電路）和逆變電路（主電路）兩部分構成。（ 1）由 555 定時器構成的電路是一個多諧振蕩器，由電子技術可知，調(diào)節(jié)電位器 RP，即可調(diào)節(jié)輸出量的頻率。同樣由電子技術 可知，此電路改變頻率時，占空比也會變 （且占空比q 50）。（ 2）圖中的 JK 觸發(fā)器為整形電路，驅(qū)動管V3 和 V4，在 V3 和 V4 中，只能

2、有一個處于導通狀態(tài)。（阻止逆變失敗）。（ 3）由功率晶體管V1、V2 和變壓器T 構成單相（無源）逆變電路。與V1、V2 并聯(lián)的阻容及快速恢復二極管為耗能式關斷緩沖（吸收）電路，以緩解晶體管突然關斷時承受的沖擊。電路中的 R9 為保護電阻，以防逆變失敗時，形成過大的電流（電路正常后，將R9 短接）損壞功率晶體管V1、 V2。三、實訓設備1、亞龍 YL-209 型實訓裝置單元（5）2、雙蹤示波器3、萬用表四、實訓內(nèi)容與步驟1、控制電路接上+15V 和 +5V 電源，用示波器觀測控制電路各點（3、 4、 5、 6、7 點）電壓的數(shù)值與波形。觀察：調(diào)節(jié)RP，頻率是否連續(xù)可調(diào)，讀出此時頻率為多少？頻率

3、改變時，脈寬有無變化？ 4、 5 點頻率是否3 點的一半， 4、5 兩點波形是否正好相反。 6、 7 點波形與幅值與4、5 點是否相同。2、將主電路中的+12V 電源（因電流較大，建議采用直流可調(diào)電源），電壓表，電流表和負載（白熾燈）全部接上，并將主電路與控制電路接通。3、用示波器測量負載上的電壓波形，觀察逆變電路工作是否正常。觀察： 11、 12 點（或 10、 12 點）間的電壓波形。電壓表和電流表讀數(shù)。負載（白熾燈）上的電壓波形。若正常，則將R9 短接。1、 調(diào)節(jié) RP，記錄下 RP為零（ f f 0 ）和電流 I 的數(shù)值與波形。RP為最大（f f m）時負載電壓U0 和逆變電路輸入觀測

4、量U0（ V）I （）U0 波形I 波形頻率（HZ）f 0f m五、實訓注意事項1、用雙蹤示波器測量各點波形并進行比較時，其探頭的公共端均接電路零點（G）端。2、限流電阻R9，待電路正常后才可去掉（短接）。六、實訓報告1、記錄下某一頻率下的U3、U4、U6、U12 和U0,并進行比較（以U3 為參考波形） （波形豎排）。2、記錄f 0、 f m時的U0 和I的數(shù)值與波形，并比較U0 和I的波形是否相同？為什么？應知內(nèi)容：一、集成555 定時器集成時基電路555 是一種應用廣泛的器件，其內(nèi)部既有運算放大器這樣的模擬電子電路，又有觸發(fā)器這樣的邏輯電路，是模擬電子技術與數(shù)字電子技術的結(jié)合體。集成時基

5、電路555 的結(jié)構簡單， 使用方便靈活， 只要外部配接少數(shù)幾個阻容元件，便可組成數(shù)字電路的三種最基本的電路: 雙穩(wěn)態(tài)電路（施密特觸發(fā)器）、單穩(wěn)態(tài)電路、無穩(wěn)態(tài)電路（多諧振蕩器）。1、電路結(jié)構2、功能分析（555 時基電路功能表）3、時基電路555 的典型應用（一）用 555 構成多諧振蕩器電路的振蕩周期：T 0.7(R 1+2R2)C555 構成的多諧振蕩器通常作為脈沖信號發(fā)生器，在時序電路中的時鐘脈沖信號就可以由多諧振蕩器產(chǎn)生。多諧振蕩器還可構成定時、聲響等其他電路。（二）用 555 組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度：TW 1.1 RC單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以構成定時電路，與繼電器或驅(qū)動放大電路配合，可實

6、現(xiàn)自動控制、定時開關的功能。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器還可以用于波形的整形及信號的分頻。（三）用 555 構成施密特觸發(fā)器用 555 構成施密特觸發(fā)器常用于波形變換（如將模擬信號波形轉(zhuǎn)換成矩形波）、波形整形（如利用其回差特性將受到干擾的數(shù)字信號整形成規(guī)則的矩形波以消除干擾）與幅度鑒別（施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)取決于輸入信號是否高于V+或低于 V- ，利用此特性可以從一串脈沖中檢出符合幅度要求的脈沖）?；夭铍妷海篣 T二、 JK 觸發(fā)器U TU T1 UCC3JK 觸發(fā)器是JK 主從觸發(fā)器的簡稱，它是在基本RS 觸發(fā)器的基礎上經(jīng)同步RS 觸發(fā)器、主從RS 觸發(fā)器演變而來的。主從JK 觸發(fā)器的邏輯功能較強，并且J 與

7、 K 間不存在約束條件，因此用途更加廣泛。1、 JK 觸發(fā)器的邏輯符合與集成JK 觸發(fā)器管腳排列由上圖可知， J 端和 K 端是信號輸入端，是發(fā)生觸發(fā)的前提，Q和 Q 為輸出端，連接 CP的引腳有個三角形與 O ，表示該觸發(fā)器是一種下降邊沿觸發(fā)有效的邊沿觸發(fā)器。通常把 Q=0、 Q =1 的狀態(tài)定為觸發(fā)器的“0”狀態(tài)；而把Q=1、 Q =0 定為觸發(fā)器的“1”狀態(tài)。74LS112 觸發(fā)器為雙JK 觸發(fā)器，T078C 為單 JK 集成觸發(fā)器，可以看到1CP、2CP或 C1、 C2 端為時鐘輸入端（下降沿有效）1J、 2J、 1K、 2K或 J1 、J2、 J3、K1、 K2、K3 端為數(shù)據(jù)輸入端

8、 , 其中 J J1× J2× J3（J與 J1、 J2、 J3 是邏輯與的關系）， K K1× K2× K3（K 與 K1、 K2、K3 也是邏輯與的關系）；1Q、2Q、1 Q、2 Q 或 Q、 Q 端為輸出端；1 RD 、2 RD 端為直接復位端或置“0”端（低電平有效）1 SD 、2 SD端為直接置位端或置“1”端（低電平有效）。2 、 JK 觸發(fā)器的功能表n+13、 JK 觸發(fā)器 Q的卡諾圖、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖與波形圖JK 觸發(fā)器 Qn+1 的卡諾圖如下：由此可得 JK 觸發(fā)器的特性方程為：Qn 1J QnK QnJK 觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3

9、 所示。J= 1圖 2JK 觸發(fā)器 Qn+1的卡諾圖圖3JKK= ×觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Q n+1Q n4 所示。JK 觸發(fā)K器的波形圖如圖J00011110J= 0J=×00圖 40101JK 觸發(fā)器的波形圖0K= ×K= 0三、大功率晶體1管GTR10111、基本結(jié)構J= ×K= 1通常把集電極最大允許耗散功率在1W以上，或最大集電極電流在1A 以上的三極管稱為大功率晶體管，其結(jié)構和工作原理都和小功率晶體管非常相似。由三層半導體、兩個PN結(jié)組成，有 PNP和 NPN兩種結(jié)構，其電流由兩種載流子（電子和空穴）的運動形成，所以稱為雙極型晶體管。下圖 1（

10、a）是 NPN型功率晶體管的內(nèi)部結(jié)構，電氣圖形符號如圖（ b）所示。大多數(shù) GTR是用三重擴散法制成的，或者是在集電極高摻雜的N+硅襯底上用外延生長法生長一層N 漂移層，然后在上面擴散P 基區(qū)，接著擴散摻雜的N+發(fā)射區(qū)。圖 1 GTR 的結(jié)構、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子流動(a)GTR 的結(jié)構(b ）電氣圖形符號(c）內(nèi)部載流子的流動大功率晶體管通常采用共發(fā)射極接法，圖1（ c) 給出了共發(fā)射極接法時的功率晶體管內(nèi)部主要載流子流動示意圖。一些常見大功率晶體三極管的外形如圖2 所示。從圖可見，大功率晶體三極管的外形除體積比較大外，其外殼上都有安裝孔或安裝螺釘，便于將三極管安裝在外加的散熱器上。因為

11、對大功率三極管來講，單靠外殼散熱是遠遠不夠的。例如，50W的硅低頻大功率晶體三極管，如果不加散熱器工作，其最大允許耗散功率僅為23W。2、工作原理在電力電子技術中，GTR主要工作在開關狀態(tài)。晶體管通常連接稱共發(fā)射極電路，NPN型 GTR通常工作在正偏（ I b>0）時大電流導通；反偏（ I b<0）時處于截止高電壓狀態(tài)。因此，給 GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動信號，它將工作于導通和截止的開關工作狀態(tài)。1）靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時，GTR的典型輸出特性如圖，可分為3 個工作區(qū)：截止區(qū)： 在截止區(qū)內(nèi)， I b 0，Ube 0，Ubc 0， Ic區(qū)放大區(qū)集電極只有漏電流流過。和飽i

12、b3放大區(qū)： I b 0， Ube 0， Ubc 0，I c = I b。I csi b2I b， Ube 0， Ubc 0。I cs 是集i b1飽和區(qū)：i b1<ib2<i b3電極飽和電流，其值由外電路決定。兩個PN結(jié)都截止區(qū)OUce為正向偏置是飽和的特征。飽和時集電極、發(fā)射圖1-16極間的管壓降 Uces 很小，相當于開關接通，這時盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進入飽和時為臨界飽和，如I b 繼續(xù)增加，則為過飽和。用作開關時，應工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低 Uces 和減小導通時的損耗。2）動態(tài)特性動態(tài)特性描述GTR開關過程的瞬態(tài)性能，又稱開關特性。 下圖表明了G

13、TR開關特性的基極、集電極電流波形。整個工作過程分為開通過程、導通狀態(tài)、關斷過程、阻斷狀態(tài)4 個不同的階段。圖中開通時間 t on 對應著 GTR由截止到飽和的開通過程，關斷時間t off 對應著 GTR飽和到截止的關斷過程。GTR的開通過程是從t0 時刻起注入基極驅(qū)動電流，這時并不能立刻產(chǎn)生集電極電流，過一小段時間后，集電極電流開始上升，逐漸增至飽和電流值Ics。把 ic達到 10%I的時刻cs定為 t1，達到 90%Ics 的時刻定為 t2，則把 t0 到 t1 這段時間稱為延遲時間，以t d 表示，把t1 到 t2這段時間稱為上升時間，以t r 表示。要關斷 GTR，通常給基極加一個負的

14、電流脈沖。但集電極電流并不能立即減小，而要經(jīng)過一段時間才能開始減小，再i bI b1逐漸降為零。 把 i b 降為穩(wěn)態(tài)值90% I b1I b1 的 90%的時刻定為 t3 ，i c 下降到 90% I cs 的時刻定為 t4，10% I b1下降到cs的時刻定為 t5 ，0t10%II b2則把 t3到 t4這段時間稱為儲t ont off存時間，以 t s 表示，把 t4到i ct d trtst ft5這段時間稱為下降時間，以Ics90% I cst f表示。延遲時間 t d 和上升時間 t r10% I cs之和是 GTR從關斷到導通所需0t0t1t 2t3t4t5t要的時間，稱為開通

15、時間，以t on 表示，則 t on = td+ tr圖1-17儲存時間 t s 和下降時間t f 之和是 GTR從導通到關斷所需要的時間，稱為關斷時間，以t off 表示，則t off = t s+ t fGTR在關斷時漏電流很小，導通時飽和壓降很小。因此，GTR在導通和關斷狀態(tài)下?lián)p耗都很小，但在關斷和導通的轉(zhuǎn)換過程中，電流和電壓都較大，隨意開關過程中損耗也較大。當開關頻率較高時，開關損耗是總損耗的主要部分。因此，縮短開通和關斷時間對降低損耗，提高效率和運行可靠性很有意義。3、 GTR的參數(shù)主要有 GTR的極限參數(shù)， 即最高工作電壓、最大工作電流、 最大耗散功率和最高工作結(jié)溫等。最高工作電壓

16、GTR上所施加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關。BUcbo：發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo：基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUcer ：實際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時用 BUcer 表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUces：當 R為 0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces 表示其擊穿電壓。BUcex：發(fā)射結(jié)反向偏置時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。其中BUcbo >BUcex >BUces>BUcer >BUceo ，實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要

17、比BUceo 低得多。集電極最大允許電流I cMGTR流過的電流過大，會使GTR參數(shù)劣化，性能將變得不穩(wěn)定，尤其是發(fā)射極的集邊效應可能導致GTR損壞。 因此，必須規(guī)定集電極最大允許電流值。通常規(guī)定共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的1/2 1/3時，所對應的電流I c 為集電極最大允許電流，以 I cM表示。實際使用時還要留有較大的安全余量，一般只能用到I cM值的一半或稍多些。集電極最大耗散功率PcM集電極最大耗散功率是在最高工作溫度下允許的耗散功率，用PcM 表示。它是GTR容量的重要標志。 晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會因溫

18、度過高而損壞。實際使用時， 集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關。所以在使用中應特別注意值I C不能過大，散熱條件要好。最高工作結(jié)溫TJMGTR正常工作允許的最高結(jié)溫，以TJM表示。 GTR結(jié)溫過高時，會導致熱擊穿而燒壞。(3)GTR 的二次擊穿和安全工作區(qū)1）擊穿問題一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，I c 迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要I c 不超過限度， GTR一般不會損壞，工作特性也不變。二次擊穿：是由于集電極電壓升高到一定值（未達到極限值）時，發(fā)生雪崩效應造成的I c 增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降（負阻效應）。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作

19、特性明顯衰變。 由于管子結(jié)面的缺陷、結(jié)構參數(shù)的不均勻，使局部電流密度劇增，形成惡性循環(huán)，使管子永久損壞。實踐表明， GTR即使工作在最大耗散功率范圍內(nèi)，仍有可能突然損壞，其原因一般是由二次擊穿引起的，二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一各重要因素。二次擊穿的持續(xù)時間在納秒到微秒之間完成，由于管子的材料、工藝等因素的分散性，二次擊穿難以計算和預測。防止二次擊穿的辦法是：應使實際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。必須有電壓電流緩沖保護措施。2）安全工作區(qū)以直流極限參數(shù)I cM、PcM、UceM 構成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，按基極偏置分類可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。

20、正偏安全工作區(qū)又叫開通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流 I CM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗 PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域。反偏安全工作區(qū)又稱GTR的關斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關斷過程中電壓UCE、電流I C 限制界線所圍成的區(qū)域。如下圖所示。以USB（二次擊穿電壓）與I SB（二次擊穿電流） 組成的 PSB（二次擊穿功率）如圖中虛線所示，它是一個不等功率曲線。以 3DD8E晶體管測試數(shù)據(jù)為例，其 PcM=100W，BUceo 200V，但由于受到擊穿的限制， 當 Uce=100V時，PSB為 60W，

21、Uce=200V 時 PSB僅為 28W！所以，為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的管子，實際使用的最高電壓通常比管子的極限電壓低很多。安全工作區(qū)是在一定的溫度條件下得出的，例如環(huán)境溫度25或殼溫75等，使用時若超過上述指定溫度值，允許功耗和二次擊穿耐量都必須降額。4、 GTR 的驅(qū)動與保護i b1） GTR對基極驅(qū)動電路的要求Ot提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導通與關斷( 期望的基極驅(qū)動電流波形如圖所示）。在使GTR導通時，基極正向驅(qū)動電流應有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強制電流，以加速開通過程，減小開通損耗。在GTR導通期間，在任何負載下，基極電流都應使GTR處在臨界飽和狀態(tài)，這樣既

22、可降低導通飽和壓降，又可縮短關斷時間。在使GTR關斷時，應向基極提供足夠大的反向基極電流，以加快關斷速度，減小關段損耗。由于 GTR主電路電壓較高， 控制電路電壓較低，所以應實現(xiàn)主電路與控制電路間的電隔離。應有較強的抗干擾能力，并有一定的保護功能。2）雙電源分立元件基極驅(qū)動電路下圖是一個簡單實用的GTR驅(qū)動電路。 該電路采用正、負雙電源供電。 當輸入信號為高電平時，三極管V1、V2 和 V3 導通，而V4 截止，這時V5 就導通。二極管VD3可以保證GTR導通時工作在臨界飽和狀態(tài)。流過二極管VD3的電流隨GTR的臨界飽和程度而改變，自動調(diào)節(jié)基極電流。當輸入低電平時，V1、 V2、V3 截止，而

23、V4 導通，這就給GTR的基極一個負電流，使 GTR截止。在V4 導通期間， GTR的基極 - 發(fā)射極一直處于負偏置狀態(tài)，這就避免了反向電流的通過，從而防止同一橋臂另一個GTR導通產(chǎn)生過電流。3）集成化驅(qū)動集成化驅(qū)動電路克服了一般電路元件多、電路復雜、 穩(wěn)定性差和使用不便的缺點，還增加了保護功能。如法國THOMSON公司為GTR專門設計的基極驅(qū)動芯片UAA4002。采用此芯片可以簡化基極驅(qū)動電路，提高基極驅(qū)動電路的集成度、可靠性、快速性。它把對GTR的完整保護和最優(yōu)驅(qū)動結(jié)合起來，使 GTR運行于自身可保護的準飽和最佳狀態(tài)。4） GTR的保護電路為了使 GTR在廠家規(guī)定的安全工作區(qū)內(nèi)可靠的工作，

24、必須對其采用必要的保護措施。而對 GTR的保護相對來說比較復雜， 因為它的開關頻率較高， 采用快熔保護是無效的。 一般采用緩沖電路。主要有 RC緩沖電路 、充放電型 R-C-VD 緩沖電路 和阻止放電型 R-C-VD 緩沖電路三種形式 ，如圖所示。（ a）RC緩沖電路 （ b）充放電型 R-C-VD緩沖電路 （ c）阻止放電型 R-C-VD 緩沖電路 RC緩沖電路簡單，對關斷時集電極發(fā)射極間電壓上升有抑制作用。這種電路只適用于小容量的 GTR（電流 10A 以下）。充放電型 R-C-VD 緩沖電路增加了緩沖二極管 VD2，可以用于大容量的 GTR。但它的損耗（在緩沖電路的電阻上產(chǎn)生的）較大，不

25、適合用于高頻開關電路。阻止放電型R-C-VD 緩沖電路，較常用于大容量GTR和高頻開關電路的緩沖器。其最大優(yōu)點是緩沖產(chǎn)生的損耗小。為了使 GTR正?？煽康毓ぷ?，除采用緩沖電路之外，還應設計最佳驅(qū)動電路，并使GTR工作于準飽和狀態(tài)。另外，采用電流檢測環(huán)節(jié)，在故障時封鎖GTR的控制脈沖，使其及時關斷，保證 GTR電控裝置安全可靠地工作；在 GTR電控系統(tǒng)中設置過壓、欠壓和過熱保護單元，以保證安全可靠地工作。四、逆變器1、逆變的基本概念將直流電變換成交流電的電路稱為逆變電路， 根據(jù)交流電的用途可以分為有源逆變和無源逆變。有源逆變是把交流電回饋電網(wǎng)，無源逆變是把交流電供給不同頻率需要的負載。2 、逆變器的類型（ 1）依據(jù)直流電源的類型（ 2）依據(jù)輸出電壓性質(zhì)不同（ 3）按逆變電路結(jié)構不同（ 4）依據(jù)開關四件及其關斷（換流）方式不同負載諧振換流： 由負載諧振電路產(chǎn)生一個電壓， 在換流時關斷已經(jīng)導通的晶閘管， 一般有串聯(lián)和并聯(lián)諧振逆變電路，或兩者共同組成的串、并聯(lián)諧振逆變電路。強迫換流： 附加換流電路，在換流時產(chǎn)生一個反向電壓關斷晶閘管。器件換流： 利用全控型器件的自關斷能力進行換流。下面是幾種典型的拓撲結(jié)構。實際應用中多采用單相全橋和三相橋