交流電力拖動(dòng)

1、現(xiàn)代交流拖動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)代交流拖動(dòng)系統(tǒng)大連海事大學(xué)大連海事大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院王天序王天序 教授教授研究領(lǐng)域：電力電子與電氣傳動(dòng)研究領(lǐng)域：電力電子與電氣傳動(dòng)研究方向：電氣傳動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)及研究方向：電氣傳動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)及 其可靠性其可靠性 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n概述n交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型n電力電子技術(shù)及器件n交流變頻調(diào)速系統(tǒng)第一章第一章 概概 述述 直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī)，而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī)，這種分工在一段時(shí)期內(nèi)已成為一種舉世公

2、認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。 直到20世紀(jì)6070年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動(dòng)按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。 這時(shí)，直流電機(jī)具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度等缺點(diǎn)日益突出起來，用交流可調(diào)拖動(dòng)取代直流可調(diào)拖動(dòng)的呼聲越來越強(qiáng)烈，交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動(dòng)控制的主要發(fā)展方向。1-1

3、交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個(gè)方面：主要有三個(gè)方面：n一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 n高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) n特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 1. 一般性能的節(jié)能調(diào)速一般性能的節(jié)能調(diào)速 在過去大量的所謂“不變速交流拖動(dòng)”中，風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康囊话胍陨?，其中有不少?chǎng)合并不是不需要調(diào)速，只是因?yàn)檫^去的交流拖動(dòng)本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費(fèi)了。一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)）一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)） 如果換成交流調(diào)速系

4、統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均都可以節(jié)約 20 % 30% 以上的電能，效果是很可觀的。 但風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速范圍和對(duì)動(dòng)態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。2. 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng) 許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械過去多用直流拖動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動(dòng)，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機(jī)原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣通過電樞電流施行靈活的實(shí)時(shí)控制。 20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流

5、電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)） 其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。3. 特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速 直流電機(jī)的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過106 kW r /min，超過這一數(shù)值時(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。 交流

6、電機(jī)沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，如厚板軋機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等，都以采用交流調(diào)速為宜。1-2 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型 交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）和同步電機(jī)同步電機(jī)兩大類，每類電機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。 現(xiàn)有文獻(xiàn)中介紹的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進(jìn)行分類。按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：降電壓調(diào)速轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速和雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速變極對(duì)數(shù)調(diào)速變壓變頻調(diào)速等 在研究開發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào)速的途徑，因而種類

7、繁多是很自然的?，F(xiàn)在交流調(diào)速的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，為了深入掌握其基本原理，就不能滿足于這種表面上的羅列，而要進(jìn)一步探討其本質(zhì)，認(rèn)識(shí)交流調(diào)速的基本規(guī)律。按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類 按照交流異步電機(jī)的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。 PmechPmPs 即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系

8、統(tǒng)分成三類 。1. 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第、三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)）。可是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。 2.轉(zhuǎn)差功率饋送型系調(diào)速統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型系調(diào)速統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第種調(diào)速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的

9、功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。3. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第、兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。 同步電機(jī)的調(diào)速同步電機(jī)的調(diào)速 同步電機(jī)沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于 0 ）的，而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步

10、電機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。 在同步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻他控變頻調(diào)速調(diào)速和自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速兩類。 自控變頻調(diào)速自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機(jī)中電刷和換向器的作用，因此有時(shí)又稱作無換向器電機(jī)調(diào)速，或無刷直流電機(jī)調(diào)速。 開關(guān)磁阻電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)是一種特殊形式的同步電機(jī)，有其獨(dú)特的比較簡單的調(diào)速方法，在小容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。第二章第二章 電力電子技術(shù)及器件電力電子技術(shù)及器件 n一一.電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)n定義定義: 以電力為對(duì)象的電子技術(shù)以電力為對(duì)象的電子技術(shù)n內(nèi)容內(nèi)容: 研究利用電力半導(dǎo)

11、體器件研究利用電力半導(dǎo)體器件,進(jìn)行電進(jìn)行電量變換量變換,如如:變頻，變壓，變流等。變頻，變壓，變流等。n與其它學(xué)科的關(guān)系：與其它學(xué)科的關(guān)系： 是電力，電子，控制是電力，電子，控制三大電氣工程技術(shù)之間的交叉學(xué)科。三大電氣工程技術(shù)之間的交叉學(xué)科。2-1 概述概述二二.電力半導(dǎo)體器件電力半導(dǎo)體器件1. 1. 分類分類: : 不可控不可控 整流管整流管, , 可可 控控 晶閘管晶閘管, , 電力晶體管等電力晶體管等2. 2. 發(fā)展槪況發(fā)展槪況: : n第一代第一代 : 半控型半控型 晶閘管晶閘管(Thyristor or Silicon Controlled Thyristor or Silicon

12、Controlled Rectifier) 1KA/12KV, 3KA/4KV Rectifier) 1KA/12KV, 3KA/4KV 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Thyristor) 1.5KA/1.2KV20 Fast Thyristor) 1.5KA/1.2KV20 S Sn雙向雙向晶閘管（晶閘管（TRIACTRIAC）300A/1KAV 300A/1KAV 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting hyristor) Reverse Conducting hyristor) 1KA/4.5KV1KA/4.5KV第二代第二代: 全控型全控型 n 電力晶體管電力

13、晶體管 GTR(Giant Transistor) GTR(Giant Transistor) 。 n 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 GTO(Gate Turn Off GTO(Gate Turn Off Thyristor) Thyristor) n電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET(Power MOSFET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Effect Transistor) 用于用于500HZ500HZ以上以上。 第三代：第三代

14、： 復(fù)合化復(fù)合化 n 絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵極雙極型晶體管 IGBTIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor) Insulated Gate Bipolar Transistor) 兼有兼有MOSFETMOSFET的高輸入阻抗和的高輸入阻抗和GTRGTR的低導(dǎo)通壓降。的低導(dǎo)通壓降。 n 場(chǎng)控晶閘管（場(chǎng)控晶閘管（MOS Controlled Thyristor) MOS Controlled Thyristor) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管與晶閘管復(fù)合場(chǎng)效應(yīng)晶體管與晶閘管復(fù)合 100A/1KV100A/1KVn第四代第四代 模塊化，集成化模塊化，集成化 驅(qū)動(dòng)，過電壓和過

15、電流保護(hù)，電流檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)，過電壓和過電流保護(hù)，電流檢測(cè)，溫度控制等集成一體，形成一個(gè)片子，溫度控制等集成一體，形成一個(gè)片子，便于使用。便于使用。 3. 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 靜態(tài)開關(guān)靜態(tài)開關(guān); 交流或直流電壓控制交流或直流電壓控制;交流或交流或直流電機(jī)調(diào)速直流電機(jī)調(diào)速; UPS電源等。電源等。 2-2 2-2 可控型電力電子器件可控型電力電子器件 一、晶閘管一、晶閘管- -半控型器件半控型器件 ThyristorThyristor或稱可控硅或稱可控硅 Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectifier（一）結(jié)構(gòu)及工作原理（一）結(jié)構(gòu)及工作

16、原理Structure and Principle of thyristor P1 N1 P2 N2J1J2J3AKG結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖GAK晶閘管的電氣符號(hào)晶閘管的電氣符號(hào)外形外形晶閘管的雙晶體管模型及工作原理晶閘管的雙晶體管模型及工作原理 P1N1 P2 N2N1P2AKGPNPIAV1IC1IGIC2V2NPNIKGSEGAKREA1)-(2 C CB BO O1 1A A1 1C C1 1I II I I IV1共基極電共基極電流增益流增益V1共基極共基極漏電流漏電流2)-(2 C CB BO O2 2K K2 2C C2 2I II I I I）（）可得（）由（5-2 4-21-2

17、 4)-(2 3)-(2 ） （ 1 1I II II I I II II II II II II I2 21 1C CB BO O2 2C CB BO O1 1G G2 2A AC C2 2C C1 1A AG GA AK K導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件:導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件:1.正向陽極電壓（正向陽極電壓（A+K）2.正向門極電壓正向門極電壓(+K）（可以用正向脈沖電壓觸發(fā)）（可以用正向脈沖電壓觸發(fā)）關(guān)斷條件：關(guān)斷條件： 或或 ia 下降至小于維下降至小于維持電流持電流 ih ia AG K ia （二）晶閘管的特性（二）晶閘管的特性 1 1、晶閘管的靜態(tài)特性、晶閘管的靜態(tài)特性 （1 1）陽極伏安特性）陽

18、極伏安特性nU UDRMDRM-斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓nU URRMRRM-反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓nU UDSMDSM-斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓nU UGSMGSM-反向不重復(fù)峰值電壓反向不重復(fù)峰值電壓nU Ubobo- - 正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓n 正常工作時(shí)，不允許正常工作時(shí)，不允許正向陽極電壓加到正向陽極電壓加到U Ubobo，否，否則將失控。應(yīng)該靠加入則將失控。應(yīng)該靠加入I IG G使晶閘管導(dǎo)通使晶閘管導(dǎo)通。（2 2）門極伏安特性）門極伏安特性nOD-OD-極限低阻伏安特性極限低阻伏安特性nOG-OG-極限高阻伏安特性極限高阻伏安特性nADEFGCBA

19、-ADEFGCBA-可靠觸發(fā)區(qū)可靠觸發(fā)區(qū)nOABCO-OABCO-不可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)nOHIJO-OHIJO-不觸發(fā)區(qū)不觸發(fā)區(qū)nI IFGM-FGM-門極正向峰值電流門極正向峰值電流nU UFGMFGM-門極正向峰值電壓門極正向峰值電壓nI IGTGT-門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流nU UGTGT-門極觸發(fā)電壓門極觸發(fā)電壓nP PGMGM-瞬時(shí)最大功率瞬時(shí)最大功率nP PG G（av)av)-平均功率平均功率nI IGDGD-門極不觸發(fā)電流門極不觸發(fā)電流nU UGDGD-門極不觸發(fā)電壓門極不觸發(fā)電壓2、晶閘管的動(dòng)態(tài)特性晶閘管的動(dòng)態(tài)特性1.開通時(shí)間開通時(shí)間 t tgt gt = t= td d

20、 + t+ tr rnt td -d -延遲時(shí)間，延遲時(shí)間， 0.5-1.50.5-1.5 S S 隨門極電流增大而減小。隨門極電流增大而減小。nt tr - r - 上升時(shí)間，上升時(shí)間， 0.5-30.5-3 S S 陽極電壓高，上升時(shí)間短。陽極電壓高，上升時(shí)間短。2.2.關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間 t tq q= t= trr rr + t+ tgrgr t trr -rr -反向阻斷恢復(fù)時(shí)間；反向阻斷恢復(fù)時(shí)間； t tgr-gr-正向阻斷恢復(fù)時(shí)間。正向阻斷恢復(fù)時(shí)間。幾百微妙幾百微妙n影響關(guān)斷時(shí)間的因素影響關(guān)斷時(shí)間的因素1. 1. 正向電流大，關(guān)斷時(shí)間長正向電流大，關(guān)斷時(shí)間長; ;2. 2. 反向電

21、壓高反向電壓高, , 關(guān)斷時(shí)間短關(guān)斷時(shí)間短; ;3.3.正向電壓上升率大正向電壓上升率大, , 關(guān)斷時(shí)間長關(guān)斷時(shí)間長; ;4. 4. 結(jié)溫高結(jié)溫高, ,關(guān)斷時(shí)間長。關(guān)斷時(shí)間長。n動(dòng)態(tài)損耗動(dòng)態(tài)損耗1.1.開通損耗開通損耗 2.2.關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗n靜態(tài)損耗靜態(tài)損耗1.1.通態(tài)損耗通態(tài)損耗 2.2.斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗（三三) ) 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)1 1、電壓參數(shù)、電壓參數(shù)（1 1） 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U UDRM DRM : : 門極斷路門極斷路, ,額定結(jié)溫額定結(jié)溫, ,允許重復(fù)施加的正向峰值電壓。允許重復(fù)施加的正向峰值電壓。（2 2）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電

22、壓U URRMRRM : : 門極斷路門極斷路, ,額定結(jié)溫額定結(jié)溫, ,允允許重復(fù)施加的反向峰值電壓。許重復(fù)施加的反向峰值電壓。（3 3）額定電壓）額定電壓 : : 取取U UDRMDRM和和U URRMRRM中的較小者標(biāo)稱。中的較小者標(biāo)稱。 * *選用時(shí)，要留選用時(shí)，要留2-32-3倍的安全余量倍的安全余量。（4 4）通態(tài)）通態(tài)( (峰值峰值) )電壓電壓U UTMTM : : 通以通以 倍通態(tài)平均電流倍通態(tài)平均電流I IT(AV)T(AV)時(shí)的瞬態(tài)時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。峰值電壓。 * * U UTMTM小，損耗小，發(fā)熱小。小，損耗小，發(fā)熱小。2 2、電流參數(shù)、電流參數(shù)（1） 通態(tài)平均電流通態(tài)

23、平均電流IT(AV)（額定電流，產(chǎn)品合（額定電流，產(chǎn)品合格證上標(biāo)稱。）：環(huán)境溫度為格證上標(biāo)稱。）：環(huán)境溫度為+400C和規(guī)定的和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半冷卻條件下，帶電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導(dǎo)通（導(dǎo)通角不小于波電路中，管子全導(dǎo)通（導(dǎo)通角不小于 1700），穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時(shí)所允許的最），穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時(shí)所允許的最大平均電流。大平均電流。（2）維持電流）維持電流 IH : 使晶閘管維持通態(tài)所必需的最小陽極電流。使晶閘管維持通態(tài)所必需的最小陽極電流。 結(jié)溫越高，結(jié)溫越高，IH 越小。越小。（3）擎住電流）擎住電流IL : 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移

24、除觸發(fā)脈沖之晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)脈沖之后后,能維持通態(tài)所需的最小主電流。能維持通態(tài)所需的最小主電流。 IL=(2-3) IH。（4）浪涌電流）浪涌電流ITSM : 由于某種異常情況引起的使結(jié)溫超過額定結(jié)由于某種異常情況引起的使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流溫的不重復(fù)性最大正向過載電流,用峰值表示。用峰值表示。 有上下兩個(gè)級(jí)，用來設(shè)計(jì)保護(hù)電路。有上下兩個(gè)級(jí)，用來設(shè)計(jì)保護(hù)電路。3、晶閘管的門極定額、晶閘管的門極定額（1）門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流IGT 室溫下室溫下,陽極電壓直流陽極電壓直流6V時(shí)時(shí),使晶閘管由使晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流。斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最

25、小門極電流。（2）門極觸發(fā)電壓）門極觸發(fā)電壓 UGT 產(chǎn)生門極觸發(fā)電流產(chǎn)生門極觸發(fā)電流 IGT所必需的門極電所必需的門極電壓。壓。4 4、動(dòng)態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)（1） 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du / dt 額定結(jié)溫和門極開路的情況下額定結(jié)溫和門極開路的情況下,不導(dǎo)致從斷態(tài)轉(zhuǎn)換不導(dǎo)致從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大主電壓上升率。到通態(tài)的最大主電壓上升率。 使用時(shí)，實(shí)際的使用時(shí)，實(shí)際的斷態(tài)電壓上升率必需低于此值。斷態(tài)電壓上升率必需低于此值。（2）通態(tài)電流臨界上升率）通態(tài)電流臨界上升率di /dt 在規(guī)定條件下在規(guī)定條件下,晶閘管能承受而無有害影響的最大晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

26、通態(tài)電流上升率。 大于此值，會(huì)造成大于此值，會(huì)造成晶閘管晶閘管損壞。損壞。 5.5.額定結(jié)溫額定結(jié)溫T Tjmjm器件在正常工作時(shí)所允許的最高結(jié)溫。器件在正常工作時(shí)所允許的最高結(jié)溫。 在此溫度下在此溫度下 ，一切有關(guān)的額定值和特，一切有關(guān)的額定值和特性都能得到滿足。性都能得到滿足。 在規(guī)定的冷卻條件下和其它額定條件下，在規(guī)定的冷卻條件下和其它額定條件下，器件才不會(huì)超過額定結(jié)溫器件才不會(huì)超過額定結(jié)溫( (四）晶閘管的一些派生器件四）晶閘管的一些派生器件1. 快速晶閘管快速晶閘管: 關(guān)斷時(shí)間短，數(shù)十微秒。關(guān)斷時(shí)間短，數(shù)十微秒。2.雙向晶閘管雙向晶閘管b雙向晶閘管雙向晶閘管b額定電流用有效值表示額定

27、電流用有效值表示b四種觸發(fā)方式四種觸發(fā)方式+ + - - + + - -實(shí)際使用中，一般采用實(shí)際使用中，一般采用- - 和和- -兩兩種種觸發(fā)方式觸發(fā)方式b缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：承受承受di /dt 能力差；能力差；門極電路靈敏度低；門極電路靈敏度低；關(guān)斷時(shí)間長。關(guān)斷時(shí)間長。3. 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管n額定電流額定電流 : 晶閘管電流晶閘管電流 / 整流管電流。整流管電流。 例例 ： 300 / 300300 / 300；300 / 150300 / 150。n逆導(dǎo)晶閘管優(yōu)點(diǎn)逆導(dǎo)晶閘管優(yōu)點(diǎn) 正向壓降??；關(guān)斷時(shí)間短；高溫正向壓降??；關(guān)斷時(shí)間短；高溫特性好；額定結(jié)溫高。特性好；額定結(jié)溫高。 使用時(shí)，器件的數(shù)

28、目少；裝置體使用時(shí)，器件的數(shù)目少；裝置體積??；重量減輕；價(jià)格低；配線積??；重量減輕；價(jià)格低；配線簡單；經(jīng)濟(jì)性好。簡單；經(jīng)濟(jì)性好。n逆導(dǎo)晶閘管缺點(diǎn)逆導(dǎo)晶閘管缺點(diǎn) 換向能力隨結(jié)溫升高而下降。換向能力隨結(jié)溫升高而下降。4、光控晶閘管、光控晶閘管2-3 2-3 典型全控型器件典型全控型器件 一、可關(guān)斷晶閘管一、可關(guān)斷晶閘管 GTOGTO1 1、 GTOGTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理多元集成多元集成 (要求強(qiáng)觸發(fā)脈沖要求強(qiáng)觸發(fā)脈沖,使開通過程中使開通過程中,各各GTO元中動(dòng)態(tài)電流相元中動(dòng)態(tài)電流相等等)。工作原理工作原理 GTO的雙晶體管等效電路分析的雙晶體管等效電路分析從右圖得從右圖得: IA

29、= 1 IA + 2 IK當(dāng)當(dāng) IG = 0 時(shí)時(shí): 因因IA = IK , 所以所以 1 + 2 = 1為為GTO的臨界導(dǎo)通條件。的臨界導(dǎo)通條件。 1 + 2 1，GTO飽飽和導(dǎo)通。和導(dǎo)通。2 21 12 2G GA AG G2 2A A2 21 1G G2 2A A2 2A A1 1A AK K2 2A A1 1A AG GA AK K1 1I II I可可得得門門極極控控制制增增益益I II I1 1I II II I得得I II II II II II II I當(dāng)當(dāng) IG 0 時(shí)時(shí):GTO在設(shè)計(jì)時(shí)，使在設(shè)計(jì)時(shí)，使 1 + 2 = 1.05，給門極控制關(guān)斷提供了有，給門極控制關(guān)斷提供了有

30、利條件。利條件。 GTO的開通過程的開通過程與普通晶閘管開通原理類似，強(qiáng)烈與普通晶閘管開通原理類似，強(qiáng)烈的正反饋過程。的正反饋過程。當(dāng)當(dāng) 電流增加到電流增加到 1 + 2 1后，撤去后，撤去IG ，GTO也能維持導(dǎo)通。也能維持導(dǎo)通。陰影寬度表示飽和的深度。陰影寬度表示飽和的深度。 GTO的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程門極加負(fù)脈沖。門極加負(fù)脈沖。 Ib2 IK ，IC2 IA IC1 當(dāng)當(dāng) 1 + 2 IATO 時(shí)時(shí),負(fù)脈沖不能關(guān)斷負(fù)脈沖不能關(guān)斷GTO,必須斷開陽極電路必須斷開陽極電路加以保護(hù)。加以保護(hù)。（2） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off門門極極負(fù)負(fù)電電流流最最大大值值: :I I式式中中5 5;

31、;I II IG GM MG GM MA AT TO Oo of ff f例如例如1000A的的GTO，需，需200A的負(fù)脈沖電流的幅值。但由于脈的負(fù)脈沖電流的幅值。但由于脈沖窄，門極平均功耗仍較小。沖窄，門極平均功耗仍較小。（3） 開通時(shí)間開通時(shí)間ton Turn On Time: ton=td+tr td 延遲時(shí)間延遲時(shí)間,1-2 s ; tr 上升時(shí)間上升時(shí)間,隨隨 IA增增大而增大。大而增大。（4）關(guān)斷時(shí)間）關(guān)斷時(shí)間 toff Turn Off Time: toff = ts + tf ts -儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間, 隨隨 IA增大而增大增大而增大; tf -下降時(shí)下降時(shí)間間, 0, Ub

32、e 0; Ubc 0 ， IC = Ib 。飽和區(qū)：飽和區(qū)： Ib ICS / ， Ube 0; Ubc 0 ， ICS 集電極飽和電集電極飽和電流）流）n臨界飽和：剛進(jìn)入飽和區(qū)，臨界飽和：剛進(jìn)入飽和區(qū)， U Ubcbc 0 0 n過飽和：再增大過飽和：再增大I Ib b ，產(chǎn)生，產(chǎn)生過飽和。過飽和。 I Ib b 越大，越大，飽和深飽和深度越深。度越深。n增加飽和深度，可以降低增加飽和深度，可以降低飽和壓降，減少導(dǎo)通期間飽和壓降，減少導(dǎo)通期間的損耗。但增加了開關(guān)時(shí)的損耗。但增加了開關(guān)時(shí)間。間。n電力晶體管工作在開關(guān)狀電力晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)和態(tài)，即工作在截止區(qū)和飽飽和區(qū)，但在

33、和區(qū)，但在開關(guān)過程中，開關(guān)過程中，要經(jīng)過要經(jīng)過放大區(qū)。放大區(qū)。（2）動(dòng)態(tài)特性）動(dòng)態(tài)特性開關(guān)過程開關(guān)過程開通過程開通過程延遲時(shí)間延遲時(shí)間 td: t0-t1,由發(fā)由發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容引射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容引起起,增大增大Ib 的幅值和的幅值和 dIb / dt,可縮短可縮短td;上升時(shí)間上升時(shí)間 tr: t1-t2, 增增大大Ib 的幅值和的幅值和 dIb / dt,可可縮短縮短tr;開通時(shí)間開通時(shí)間 to n = td +tr關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間 toff = tS +tf?？s短關(guān)斷時(shí)間的方法：縮短關(guān)斷時(shí)間的方法： 減小飽和程度，使晶體管導(dǎo)減小飽和程度，使晶體管導(dǎo)通時(shí)工作在臨界飽和狀態(tài)。通時(shí)工

34、作在臨界飽和狀態(tài)。 增大關(guān)斷的反向基極電流增大關(guān)斷的反向基極電流Ib2和負(fù)偏壓。和負(fù)偏壓。 關(guān)斷過程關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間 tS: t3-t4 , 除去基除去基區(qū)儲(chǔ)存電荷的時(shí)間。區(qū)儲(chǔ)存電荷的時(shí)間。導(dǎo)通導(dǎo)通時(shí)，飽和越深，儲(chǔ)存電荷時(shí)，飽和越深，儲(chǔ)存電荷越多，越多， tS越長。越長。下降時(shí)間下降時(shí)間tf: t4-t5 ,n 由于電力晶體管開關(guān)速度快由于電力晶體管開關(guān)速度快（幾微秒），而晶閘管一般為幾十微（幾微秒），而晶閘管一般為幾十微秒。所以，目前，大多數(shù)秒。所以，目前，大多數(shù) 脈寬調(diào)制式脈寬調(diào)制式（PWM）變頻裝置，都使用）變頻裝置，都使用GTR作作為開關(guān)元件。為開關(guān)元件。n 電力晶體管是電流控

35、制（電力晶體管是電流控制（Ib控控制制 ), 所以，需要一定功率的控制電路。所以，需要一定功率的控制電路。3、電力晶體管的極限運(yùn)用參數(shù)、電力晶體管的極限運(yùn)用參數(shù) （1） 最高工作電壓最高工作電壓 Ucb0e極開路極開路, cb極之間的反向擊穿電壓極之間的反向擊穿電壓; BUce0b極開路極開路, ce極之間的擊穿電壓極之間的擊穿電壓; BUcer eb極接極接R, ce極之間的擊穿電壓極之間的擊穿電壓; BUces eb極短路極短路, ce極之間的擊穿電壓極之間的擊穿電壓; BUcex be極反偏極反偏, ce極之間的擊穿電壓極之間的擊穿電壓; 它們之間的關(guān)系如右圖所示它們之間的關(guān)系如右圖所示

36、 正常工作時(shí)正常工作時(shí),為確保安全為確保安全,取最高工作電壓小于取最高工作電壓小于BUce0（2） 集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 當(dāng)直流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的當(dāng)直流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的 1/21/3 時(shí)，所時(shí)，所對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的 IC值為值為ICM 。 實(shí)際使用時(shí)，要留有一倍左右的安全裕量（即只能實(shí)際使用時(shí)，要留有一倍左右的安全裕量（即只能用到用到 ICM的一半左右）。的一半左右）。（3）集電極最大耗散功率）集電極最大耗散功率 PCM 表示管子的容量。取決于集電結(jié)工作電壓和工作電流表示管子的容量。取決于集電結(jié)工作電壓和工作電流的乘積，的乘積，是最高工作溫度下允許的耗散功率。是最高

37、工作溫度下允許的耗散功率。 產(chǎn)品說明書給出產(chǎn)品說明書給出PCM 的同時(shí)，亦給出管殼溫度的同時(shí)，亦給出管殼溫度TC 。三、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管三、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor1、 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)多元結(jié)構(gòu)多元結(jié)構(gòu);N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型:柵極電柵極電壓大于零才存在導(dǎo)電壓大于零才存在導(dǎo)電溝道；溝道；垂直雙擴(kuò)散工藝：提垂直雙擴(kuò)散工藝：提高耐壓。高耐壓。（2） 符號(hào)符號(hào):見右圖。見右圖。 D-漏極；漏極；S-源極；源極；G-柵柵極。極。（3 3） 特點(diǎn)特點(diǎn) 場(chǎng)控型元件。場(chǎng)控型元件。 G-S

38、G-S極輸入阻抗很大，為使極輸入阻抗很大，為使其導(dǎo)通，只需加其導(dǎo)通，只需加 8-10 V8-10 V的電壓信號(hào)。但的電壓信號(hào)。但G-SG-S間存間存在很小的輸入電容在很小的輸入電容Cin,Cin,所以仍需很小的充電電流。所以仍需很小的充電電流。 無儲(chǔ)存時(shí)間。開關(guān)速度快，無儲(chǔ)存時(shí)間。開關(guān)速度快，1A1A：10ns10ns，10 -10 -20A20A：50 -100 ns50 -100 ns。適用于高頻（。適用于高頻（10 6 HZ10 6 HZ）。）。 通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)。有利于并聯(lián)均通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)。有利于并聯(lián)均流。流。 是逆導(dǎo)元件。無反向阻斷能力。是逆導(dǎo)元件。無反向阻斷能力。

39、2、特性、特性（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性（轉(zhuǎn)移特性（IDUGS）見右圖見右圖a)。 UT開啟電壓（閥值電壓）開啟電壓（閥值電壓） UT3V。IDUGS間的關(guān)系，近似線間的關(guān)系，近似線性。斜率定義為跨導(dǎo)性。斜率定義為跨導(dǎo)GfZ。西門子101dUdIGGSDfZ輸出特性（漏極伏安特性）輸出特性（漏極伏安特性） （I ID DU UDSDS）見右圖見右圖 b)b)。 有三個(gè)工作區(qū)：有三個(gè)工作區(qū)： 截止區(qū)：截止區(qū)：UGS UT ；ID = 0 。 飽和區(qū)：飽和區(qū)： UGS UT ；UDS UGS UT 。 非飽和區(qū)（用作開關(guān)時(shí)，工作在此區(qū)）：非飽和區(qū)（用作開關(guān)時(shí)，工作在此區(qū)）： UGS UT

40、；UDS 20V，將導(dǎo)致，將導(dǎo)致GS間絕緣層擊穿。間絕緣層擊穿。（4）極間電容）極間電容一般生產(chǎn)廠家提供的是一般生產(chǎn)廠家提供的是:漏源極短路時(shí)的輸入電容漏源極短路時(shí)的輸入電容 Ciss ( = CGS + CGD) Cin（輸入電（輸入電容）容）共源極輸出電容共源極輸出電容 Coss ( = CDS + CGD) 反向轉(zhuǎn)移電流反向轉(zhuǎn)移電流 Crss ( = CGD) 安全裕量：在使用時(shí)，電壓，電流，耗散功率要留較大的安全裕安全裕量：在使用時(shí)，電壓，電流，耗散功率要留較大的安全裕量。量。4 4、使用中的注意事項(xiàng)、使用中的注意事項(xiàng)（1 1）防止靜電擊穿防止靜電擊穿 由于由于MOSFET有極高的輸入

41、阻抗，因此在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難以泄放電荷，容易引起靜電擊穿。為防止靜電擊穿，應(yīng)以泄放電荷，容易引起靜電擊穿。為防止靜電擊穿，應(yīng) a）應(yīng)存放于抗靜電包裝袋，導(dǎo)電材料袋或金屬容器中。?。?yīng)存放于抗靜電包裝袋，導(dǎo)電材料袋或金屬容器中。取件時(shí)，應(yīng)拿管殼部分。操作人員需通過腕帶良好接地。件時(shí)，應(yīng)拿管殼部分。操作人員需通過腕帶良好接地。 b）工作臺(tái)和烙鐵必須良好接地，焊接時(shí)烙鐵應(yīng)斷電。）工作臺(tái)和烙鐵必須良好接地，焊接時(shí)烙鐵應(yīng)斷電。 c）測(cè)試器件時(shí)，測(cè)量儀器和工作臺(tái)必須良好接地。器件的）測(cè)試器件時(shí)，測(cè)量儀器和工作臺(tái)必須良好接地。器件的三個(gè)極未全部接入以前，不許施加電壓。

42、改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓三個(gè)極未全部接入以前，不許施加電壓。改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零。和電流都必須先恢復(fù)到零。 d）注意柵極電壓不要過限。）注意柵極電壓不要過限。 （2 2）防止偶然性振蕩損壞器件防止偶然性振蕩損壞器件 測(cè)試時(shí)，在柵極端子外接測(cè)試時(shí)，在柵極端子外接10k 串聯(lián)電阻，或在串聯(lián)電阻，或在柵源極間柵源極間外接約外接約0.5 F的電容。的電容。 （3）防止過電壓）防止過電壓 a）柵源間過壓的防護(hù)柵源間過壓的防護(hù) 柵源極間并接電阻，或并接約柵源極間并接電阻，或并接約20V 的齊納二極管。的齊納二極管。 特別要防止柵源開路特別要防止柵源開路 b）漏源間過壓的防護(hù)）漏源間過壓的

43、防護(hù) 齊納二極管箝位或齊納二極管箝位或RC抑制電路。抑制電路。 （4）防止過電流防止過電流 加過電流保護(hù)。加過電流保護(hù)。四、絕緣柵雙極晶體管四、絕緣柵雙極晶體管 ( IGBT ) Insulated-Gate Bipolar Transistor1、IGBT的電氣符號(hào)和等效電路的電氣符號(hào)和等效電路CGECEG等效電路等效電路電氣符號(hào)電氣符號(hào)2、IGBT的基本特性的基本特性 （1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性 a）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性UGEICUGE（th）開啟電壓開啟電壓UCE（th）=2 6 V-使使IGBT導(dǎo)通的最低導(dǎo)通的最低UCE 。 b）輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性）UGE（th）UGE

44、增加增加UFMUCE正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)有源區(qū)有源區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)URMIC（2）動(dòng)態(tài)特性）動(dòng)態(tài)特性90%UGEM10%UGEMUGEttUGEM90%ICM10%ICMICtd（on）trtontd（off）ICMtfi1tfi2toffUCEUCEMtfV1tfV2t ton = td（on）+ tr toff = td（off）+ tfi1 +tfi2MOSFET和和GTR同時(shí)工作的電壓同時(shí)工作的電壓下降過程下降過程MOSFET工工作的電壓下作的電壓下降過程降過程對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)MOSFET的關(guān)斷的關(guān)斷對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)GTR的關(guān)斷的關(guān)斷IGBT的特點(diǎn)：的特點(diǎn)： （1）開關(guān)速度快。）開關(guān)

45、速度快。MOSFET開關(guān)速度開關(guān)速度 GTR；開關(guān)損耗小。開關(guān)損耗小。 （2）安全工作區(qū)比）安全工作區(qū)比GTR大。大。 （3）飽和壓降低，與）飽和壓降低，與GTR相近；柵極電壓相近；柵極電壓 ，飽飽和壓降和壓降 。 （4）輸入阻抗高，）輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，電壓控制型驅(qū)動(dòng)功率小，電壓控制型。 3、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) （1）最大集射極電壓）最大集射極電壓UCEM （2）最大集電極電流：包括額定直流電流）最大集電極電流：包括額定直流電流IC和和1ms脈寬脈寬最大電流最大電流ICP （3）最大集電極功耗）最大集電極功耗PCM：在正常工作溫度下允許的：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。最

46、大耗散功率。4 4、IGBTIGBT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) （1）擎住效應(yīng)）擎住效應(yīng) IGBT的更復(fù)雜現(xiàn)象需用下面等效電路說明。的更復(fù)雜現(xiàn)象需用下面等效電路說明。CGERbrPNPNPNJ1J2J3Rdr 在制造過程中，在在制造過程中，在NPN的基射極間并有一個(gè)體區(qū)的基射極間并有一個(gè)體區(qū)電阻電阻Rbr，P形體區(qū)的橫向形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在空穴電流會(huì)在Rbr上產(chǎn)生壓上產(chǎn)生壓降加于降加于J3結(jié)上。結(jié)上。 在額定集電極電流范圍在額定集電極電流范圍內(nèi)，此偏壓很小，不足以內(nèi)，此偏壓很小，不足以使使J3開通。開通。 一旦集電極電流超過額一旦集電極電流超過額定電流值，使定電流值，使J

47、3開通，開通，IGBT開通并自鎖，柵極失開通并自鎖，柵極失去對(duì)集電極電流的控制，去對(duì)集電極電流的控制，稱為擎住效應(yīng)。稱為擎住效應(yīng)。產(chǎn)生擎住效應(yīng)的原因：產(chǎn)生擎住效應(yīng)的原因：集電極電流超過額定電流值；集電極電流超過額定電流值； （靜態(tài)擎住效應(yīng)）（靜態(tài)擎住效應(yīng)）duduCECE / dt / dt 過大；（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)）過大；（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)）溫度升高溫度升高 （2 2）安全工作區(qū)）安全工作區(qū)tVCE（V）IC（A）DCt=10-4st=10-5s0IC（A）VCE（V）1000V/s2000 V/s3000V/s重加重加 dvCE/dtFBSOAForward Biased Safe Operati

48、ng AreaRBSOAReverse Biased Safe Operating Area2-42-4 其他新型電力電子器件一、一、MOS控制晶閘管控制晶閘管 （MCT） MOS Controlled Thyristor MOSFET與與Thyristor的復(fù)合。的復(fù)合。多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)元件由上萬個(gè)多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)元件由上萬個(gè) MCT構(gòu)成。構(gòu)成。工作原理：工作原理： 柵極柵極G加正脈沖加正脈沖N溝道的溝道的 on-FET導(dǎo)通導(dǎo)通PNP管通管通NPN管通，管通，雙晶體管形成強(qiáng)烈正反饋雙晶體管形成強(qiáng)烈正反饋 MCT通。通。 柵極柵極G加負(fù)脈沖加負(fù)脈沖P溝道的溝道的 off-FET導(dǎo)通，使導(dǎo)通

49、，使PNP管基極電流管基極電流 NPN管基極電流管基極電流 PNP管基極電流管基極電流 ，雙晶體管形成強(qiáng)烈正，雙晶體管形成強(qiáng)烈正反饋反饋 MCT關(guān)斷。關(guān)斷。 MCT輸入阻抗高，電壓型控制。耐壓高輸入阻抗高，電壓型控制。耐壓高.容量大容量大.導(dǎo)通壓降低。導(dǎo)通壓降低。承受承受di/dt和和du/dt能力強(qiáng)。開關(guān)速度能力強(qiáng)。開關(guān)速度 GTR，開關(guān)損耗小。，開關(guān)損耗小。二、二、 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管 (SIT) Static Induction Transistor 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管; 耐壓耐壓,電流容量電流容量 MOSFET； 正常導(dǎo)通型。柵極無信號(hào)導(dǎo)通，加負(fù)偏時(shí)關(guān)斷

50、；正常導(dǎo)通型。柵極無信號(hào)導(dǎo)通，加負(fù)偏時(shí)關(guān)斷； 通態(tài)壓降大，通態(tài)壓降大， 通態(tài)損耗大。通態(tài)損耗大。三、靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管 (SITH) Static Induction Thyristor 一般為正常導(dǎo)通型。一般為正常導(dǎo)通型。 特性與特性與GTO類似類似, 但開關(guān)速度比但開關(guān)速度比GTO高。高。 制造工藝復(fù)雜，關(guān)斷增益小。制造工藝復(fù)雜，關(guān)斷增益小。四、集成門極換流晶閘管（四、集成門極換流晶閘管（IGCT）Integrated Gate-Commutated Thyristor 具有具有IGBT和和GTO的優(yōu)點(diǎn)，的優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)世紀(jì)90年研制；年研制； 容量同容量同GTO，開關(guān)速度比，開

51、關(guān)速度比GTO快快10倍；倍； 驅(qū)動(dòng)功率較大。驅(qū)動(dòng)功率較大。五、電力電子器件發(fā)展方向五、電力電子器件發(fā)展方向1. 性能性能 提高容量。即提高電壓提高容量。即提高電壓.電流等級(jí)，提電流等級(jí)，提高承受高承受di/dt和和du/dt的能力，的能力， 降低通態(tài)壓降低通態(tài)壓降。降。 提高工作頻率。降低開關(guān)損耗。提高工作頻率。降低開關(guān)損耗。 減小驅(qū)動(dòng)功率。場(chǎng)控器件驅(qū)動(dòng)功率最小，減小驅(qū)動(dòng)功率。場(chǎng)控器件驅(qū)動(dòng)功率最小，得到很大發(fā)展。得到很大發(fā)展。 智能化。智能化。2. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 集成化。集成化。 復(fù)合化。取長補(bǔ)短。如：復(fù)合化。取長補(bǔ)短。如：IGBT， MCT等。等。 模塊化。一個(gè)模塊包含若干個(gè)功率器模塊化。一個(gè)

52、模塊包含若干個(gè)功率器件及必要的輔助元件，使裝置結(jié)件及必要的輔助元件，使裝置結(jié) 構(gòu)緊湊，構(gòu)緊湊，體積減小。體積減小。各種自關(guān)斷器件的主要性能各種自關(guān)斷器件的主要性能1. GTO: 容量最大（容量最大（4.5KA/4.5KV);工作頻率工作頻率12 KHZ,最低最低 (但仍大于晶閘管但仍大于晶閘管); 電流型控制電流型控制; 關(guān)斷時(shí)需很大的反向驅(qū)動(dòng)電流。關(guān)斷時(shí)需很大的反向驅(qū)動(dòng)電流。2. GTR: 容量中等容量中等 (單管單管200A/1KV,100A/1.8KV;模模塊塊800A/1.2KV); 工作頻率工作頻率10KHZ以下以下;電流電流型控制型控制, 所需驅(qū)動(dòng)功率較大所需驅(qū)動(dòng)功率較大;目前應(yīng)用

53、最廣。目前應(yīng)用最廣。3. 電力電力MOSFET: 容量小容量小 (38A/1KV); 工作頻率最高工作頻率最高,可達(dá)可達(dá)100KHZ以上以上;電壓型控制電壓型控制, 所需驅(qū)動(dòng)功率小所需驅(qū)動(dòng)功率小.4. IGBT: 容量與容量與GTR同一等級(jí)同一等級(jí)(800A/1000V);電壓型電壓型控制控制,所需驅(qū)動(dòng)功率小于所需驅(qū)動(dòng)功率小于GTR;工作頻率高于工作頻率高于GTR。予計(jì)在中等功率容量范圍內(nèi)，將逐。予計(jì)在中等功率容量范圍內(nèi)，將逐步取代步取代GTR。5. MCT: 阻斷電壓高阻斷電壓高; 通態(tài)壓降小通態(tài)壓降小; 驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)功率低低; 開關(guān)速度快。開關(guān)速度快。 目前容量目前容量1000V/100A

54、。但最有發(fā)展。但最有發(fā)展前途。前途?；\型異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)籠型異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）系統(tǒng)）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)第第 三三 章章 概概 述述 異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)。本章提要本章提要n變壓變頻調(diào)速的基本控制方式n異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性n*電力電子變壓變頻器的主要類型n變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)n基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的

55、變壓變頻調(diào)速n異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換n基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)n基于動(dòng)態(tài)模型按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 3.1 變壓變頻調(diào)速的基本控制方式變壓變頻調(diào)速的基本控制方式 在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。n對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償， m 保持不變是很容易做到的。n在交流異步電機(jī)中，磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些

56、周折了。 定子每相電動(dòng)勢(shì)mNs1gS44. 4kNfE （3-1） 式中 Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的 有效值（V）； 定子頻率（Hz）； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量（Wb）。 f1NskNsm 由式（3-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達(dá)到控制磁通m 的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。 1. 基頻以下調(diào)速 由式（3-1）可知，要保持 m 不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 Eg ，使 1gfE常值 （6-2） 即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。 恒壓頻比的控

57、制方式 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 Us Eg，則得（6-3） 這是恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。常值1fUs 但是，在低頻時(shí) Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降近似地補(bǔ)償定子壓降。 帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的 b 線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 OUsf 1圖3-1 恒壓頻比控制特性 帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf 1Na 無補(bǔ)償無補(bǔ)償 b 帶定子壓降補(bǔ)償帶定子壓降補(bǔ)償 2. 基頻

58、以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從 f1N 向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過額定電壓UsN ，最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。 f1N 變壓變頻控制特性圖3-2 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNmNm恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速mUsf1O 如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高

59、時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。返回目錄返回目錄3.2 異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí) 的機(jī)械特性的機(jī)械特性本節(jié)提要本節(jié)提要n恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性特性n基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性n基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性n恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性3.2.1 恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的 機(jī)械特性機(jī)械特性異步電機(jī)在恒壓恒頻正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性方程式 Te= f (s)。 當(dāng)定子電壓

60、 Us 和電源角頻率 1 恒定時(shí)，可以寫成如下形式： 2lrls2122rsr121spe)()(3LLsRsRRsUnT（3-4） 特性分析當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則（3-5） 也就是說，當(dāng)s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性 Te = f（s）是一段直線，見圖3-3。sRsUnTr121spe3 特性分析（續(xù)） 當(dāng) s 接近于1時(shí)，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，則 sLLRsRUnT1)(32lrls212sr121spe（3-6）即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)， Te = f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。 機(jī)械特性 當(dāng) s 為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從