变频器原理第2章ppt课件.ppt

变频器原理与应用,第2章 电力电子器件,教学重点 晶闸管的结构、工作原理、导通条件、使用要求等。教学难点 变频技术中常用的集成触发模块。,电力电子器件是电力电子技术的核心，是电力电子电路的基础，同时也是变频技术的关键器件。 本章讲述晶闸管的结构、工作原理、特性、主要静态及动态参数、选取原则及其触发、保护电路，全控型器件GTR、MOSFET、IGBT等新型功率开关元件的结构、性能及驱动、保护电路。,2.1.1 常用电力电子器件的类型 1.按器件被控制信号所控制的程度分类 1）不可控器件 不可控器件不能用控制信号来控制其通断。如电力二极管（Power Diode）器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定。,2.1 常用电力电子器件,2）半控型器件 半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如晶闸管Thyristor及其大部分派生器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 3）全控型器件 全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，故又称为自关断器件。如绝缘栅双极晶体管IGBT和门极可关断晶闸管GTO等。,2.按驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质分类 1）电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。常见的有普通晶闸管、门极可关断晶闸管GTO等。,2）电压驱动型 通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断的控制。电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件或场效应器件。常见的有功率场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等。,3.按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类 1）单极型器件 只有一种载流子参与导电的器件，常见的单极型器件有功率场效应晶体管MOSFET和静电感应晶体管SIT。 2）双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，常见的双极型器件有晶闸管（包括普通晶闸管SCR、双向晶闸管TRIAC、逆导晶闸管RCT、非对称晶闸管ASCR、功率晶体管GTR、门极可关断晶闸管GTO、静电感应晶闸管SITH。,3）复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，一般是以普通晶闸管、GTR或GTO为主导元件，以MOSFET为控制元件复合而成的。常见的复合型器件有绝缘栅型双极型晶体管IGBT、MOS控制晶闸管MCT以及功率集成电路。 如图2-1所示为电力电子器件分类树。,图2-1 电力电子器件分类树,2.1.2 晶闸管的结构原理及测试 晶闸管又称晶体闸流管或可控硅整流器SCR，包括普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和光控晶闸管。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。,1.晶闸管的结构 晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号，如图2-2所示。,图2-2 晶闸管的外形、内部结构和电气图形符号,2.晶闸管的工作原理 为了说明晶闸管的导电原理，可按如图2-3所示的电路做一个简单的实验。,图2-3 晶闸管导通条件实验电路,3.晶闸管的导通条件 从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件： （1）晶闸管阳极电路加适当的正向电压。 （2）门极电路加适当的正向电压（实际工作中，门极加正触发脉冲信号），且晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用。 晶闸管的双晶体管模型可以用一对互补三极管代替晶闸管的等效电路来解释，如图2-4所示。,图2-4 晶闸管的双晶体管模型,按照上述等效原则，可将图2-4（a）中的结构图改画为图2-4（b）中的电路图，并用V1和V2管代替晶闸管。,4.晶闸管的工作状态 晶体管的特性是在低发射极电流下电流放大系数很小，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。可以由此来说明晶闸管的几种工作状态：（1）正向阻断。（2）触发导通。（3）晶闸管关断。（4）反向阻断。,其他几种可能导通的情况： （1）阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，即硬开通。（2）阳极电压上升率du/dt过高。（3）结温较高。（4）光直接照射晶体管硅片上，即光触发。,5.晶闸管的基本特性 晶闸管的基本特性包括静态特性和动态特性。 1）晶闸管的静态特性 （1）晶闸管的阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线，如图2-5所示。其中，第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性。,图2-5 晶闸管阳极伏安特性曲线 （IG2IG1IG=0）,（2）晶闸管门极伏安特性。晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。 晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性，如图2-6所示。,图2-6 晶闸管门极伏安特性,可靠触发区。指ADEFGCBA所围成的区域，对于正常使用的晶闸管元件，其门极的触发电压、电流及功率都应处于这个区域内。 不可靠触发区。指ABCJIHA围成的区域，见图2-6（b）。图中的放大区域表示在室温下对于同型号的晶闸管，在此区域内有些器件能被触发，而有些触发电压和电流较高的器件，触发是不可靠的。 不触发区。指OHIJO围成的区域。指任何合格器件在额定结温时，若门极信号在此区域内时，晶闸管均不会被触发导通。,2）晶闸管的动态特性 晶闸管开通和关断过程的波形图如图2-7所示。,图2-7 晶闸管开通和关断过程的波形,（1）开通过程包括延迟时间、上升时间和开通时间。普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为0.53 s。 （2）关断过程包括反向阻断恢复时间和正向阻断恢复时间。 关断时间tq是反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间之和，即 tq=trr+tgr。普通晶闸管的关断时间约几百微秒，快速晶闸管的关断时间为几微秒到几十微秒。,6.晶闸管的主要参数 晶闸管的主要参数包括电压定额、电流定额、动态参数和门极参数等。 1）电压定额 电压定额包括断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、通态（峰值）电压、额定电压和通态平均电压等。,（1）正向重复峰值电压。断态重复峰值电压UDRM是指在门极断开而结温为额定值时，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。反向重复峰值电压URRM是指在门极断开而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 （3）通态（峰值）电压。通态（峰值）电压UTM是指晶闸管通以倍的或某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减小器件损耗和发热的角度，应选用UTM较小的晶闸管。 （4）额定电压。额定电压是指晶闸管的UDRM和URRM中较小值，再取相应的标准电压等级中较小的电压值作为该器件的额定电压。,选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压UTM的23倍，即UTn（23）UTM，选取电压等级见表2-1。 应注意选取晶闸管时要取标准等级中较大的。如在电路中承受的峰值电压为311 V，取23倍为622933 V，则晶闸管的电压等级应选8级。,表2-1 晶闸管的电压标准等级,（5）通态平均电压UT（AV）。器件流过正弦半波的额定电流平均值而结温稳定且不超过额定值时，阳极、阴极间的电压降的平均值。实际当晶闸管流过较大的恒定直流电流时，其通态平均电压比元件出厂时定义的值要大，约为1.5 V，见表2-2。,表2-2 晶闸管通态平均电压,2）电流定额 电流定额包括通态平均电流、擎住电流、断态重复峰值电流、反向重复峰值电流和浪涌电流等。 （1）正向重复峰值电流。 （2）反向重复峰值电流。 （3）通态平均电流IT（AV）（额定电流）。晶闸管在环境温度为40 和规定的冷却状态下，结温不超过额定结温且稳定时，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，称为通态平均电流IT（AV）。 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，应留一定的裕量，一般取1.52倍。,在使用中还应注意，当晶闸管散热条件不满足规定要求时，则元件的额定电流应立即降低使用，否则元件会由于结温超过允许值而损坏。 四种波形的Kf值与100 A晶闸管允许电流的平均值见表2-3。,表2-3 四种波形的Kf值与100 A晶闸管允许电流的平均值,（4）维持电流IH。在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降到刚好使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流称为维持电流IH，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。 （5）擎住电流IL。在晶闸管加上触发电压，当晶闸管刚从断态转入通态就移除触发信号，此时能维持晶闸管导通所需的最小阳极电流，对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。,（6）浪涌电流ITSM。浪涌电流指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。浪涌电流是用来设计保护电路的。,3）动态参数 动态参数包括断态电压临界上升率、通态电流临界上升率和额定结温。 （1）断态电压临界上升率du/dt。断态电压临界上升率是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加阳极电压最大上升率。 （2）通态电流临界上升率di/dt。通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 （3）额定结温TJM 。器件在正常工作时所允许的最高结温。在此温度下，一切有关的额定值和特性都能得到保证。,4）门极参数 门极参数包括门极触发电流、门极触发电压。 （1）门极触发电流IGT。室温下，在晶闸管的阳极、阴极间加上6 V的正向电压，晶闸管由断态转为通态所必需的最小门极电流。 （2）门极触发电压UGT。产生门极触发电流IGT所必需的最小门极电压。为了保证晶闸管的可靠导通，实际的触发电流常常比规定的触发电流大。常用晶闸管的参数，见表2-4。,表2-4 常用晶闸管的参数,2.1.3 功率晶体管 功率晶体管（Giant Transistor，简称为GTR）也称为电力晶体管PTR，是一种具有发射极E、基极B、集电极C的耐高电压、大电流的双极型晶体管，有NPN和PNP两种结构，故又称为双结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，简称为BJT）。它既有晶体管的固有特性，又扩大了功率容量。GTR的缺点是耐冲击能力差，易受二次击穿而损坏。,1.GTR的结构和工作原理 GTR是一种双极型半导体器件，即其内部电流由电子和空穴两种载流子形成。其基本结构有NPN和PNP两种。而在电力电子电路中主要采用NPN结构。为了提高GTR的耐压，一般采用NPN三重扩散结构，如图2-8所示。,图2-8 GTR内部结构与元件符号,2.GTR的基本特性 GTR的基本特性包括输出特性、动态特性、主要参数和安全工作区等。 1）GTR的输出特性 共发射极接法时，GTR的输出特性，如图2-9所示。,图2-9 GTR的输出特性,2）GTR的动态特性 GTR的动态特性与晶闸管类似，但GTR作为高频开关使用，经常处于开通和关断的动态过程中。因此，对GTR的开关特性要重视，如图2-10所示为GTR开通和关断过程中的电流波形。,图2-10 GTR开通和关断过程中的电流波形,（1）开通过程。 （2）关断过程。 3）GTR的主要参数 前已述及电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流ICEO、集射极间饱和压降UCES、开通时间ton和关断时间toff等参数。此外还有： （1）最高工作电压 UCEmax。 （2）集电极最大允许电流ICM。 （3）集电极最大耗散功率PCM。 （4）最高工作结温TJM。,4）GTR的安全工作区 （1）一次击穿。 （2）二次击穿。 （3）安全工作区（Safe Operating Area，简称为SOA）。GTR的安全工作区，如图2-11所示。,图2-11 GTR的安全工作区,GTR工作的安全范围由图2-11中的四条曲线限定： 集电极最大允许直流电流线ICM由集电极允许承受的最大电流决定。 集电极允许最高电压UCEM由雪崩击穿决定。 集电极最大耗散功率线PCM由热阻决定。 二次击穿功耗临界线PSB由二次击穿触发功率决定。 考虑二次击穿后，安全工作区的范围与只考虑集电极最大允许电流ICM、最大允许电压UCEM、集电极最大允许功耗PCM时的安全工作区相比变小了。,2.1.4 功率场效应晶体管 功率场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FET ，简称为MOSFET）与小功率场效应晶体管（Field Effect Transistor，简称为FET）一样，也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型。结型电力场效应晶体管一般称为静电感应晶体管（Static Induction Transistor，简称为SIT）。功率MOSFET是一种单极型电压控制器件，用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单、需要的驱动功率小、开关速度快、工作频率高、热稳定性优于GTR，但电流容量小、耐压低，一般只适用于功率不超过10 kW的电力电子装置。,1.功率MOSFET的种类、结构和工作原理 1）功率MOSFET的种类 功率MOSFET按导电沟道可分为P沟道类型和N沟道类型。N沟道中主要载流子是电子，P沟道中主要载流子是空穴。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。 功率MOSFET的漏极D、栅极G和源极S分别类似于晶体管中的集电极、基极和发射极。几种常用的功率场效应晶体管的外形如图2-12所示。,图2-12 几种常用的功率MOSFET的外形,2）功率MOSFET的结构 功率MOSFET的结构和电气图形符号如图2-13所示。,图2-13 功率MOSFET的结构和电气图形符号,3）功率MOSFET的工作原理 功率MOSFET是利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的大小，从而控制漏极电流的大小。其工作过程可分为： （1）关断。 （2）导通。,2.功率MOSFET的基本特性1）功率MOSFET的静态特性,图2-14 功率MOSFET的静态特性,2）功率MOSFET的动态特性 功率MOSFET开通、关断过程的波形，如图2-15所示。,图2-15 功率MOSFET的动态特性,（1）功率MOSFET的开通过程。开通过程包括开通延迟时间td(on)、上升时间tr和开通时间ton。 （2）功率MOSFET的关断过程。关断过程包括关断延迟时间td(off) 、下降时间tf和关断时间toff。 （3）功率MOSFET的开关速度。MOSFET的开关速度和栅极输入电容Cin充放电有很大关系。,3.功率MOSFET的主要参数 功率MOSFET的主要参数包括漏极电压UDS，漏极直流电流ID、漏极脉冲电流幅值IDM和栅源电压UGS等。,2.1.5 绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管简称为IGBT，结合了GTR与功率MOSFET两者之间的优点，既具有输入通态电压低、耐压高、承受电流大、驱动功率小的优点，又具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点。,1.IGBT的结构 IGBT是三端器件，它的三个极分别为栅极G、集电极C和发射极E，如图2-16所示为IGBT的结构。,图2-16 IGBT的结构,IGBT也是多元集成结构，每个IGBT的简化等效电路和电气图形符号，如图2-17所示。,图2-17 IGBT的简化等效电路和电气图形符号,2.IGBT的工作原理 IGBT的工作原理与功率MOSFET基本相同，也是场控器件，其开通、关断由栅设极电压UGE决定。其具体工作过程如下： （1）导通过程。UGE大于开启电压UGE（th）时，功率MOSFET内形成沟道，为PNP晶体管提供基极电流，IGBT导通。此时，由于电导调制效应使电阻RN减小，使高耐压的IGBT也有低的通态压降。 （2）关断过程。当栅射极间施加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,2.1.6 门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管与普通晶闸管一样，也是PNPN四层三端半导体结构，引出电极包括阳极A、阴极K和门极G。,集成门极换流晶闸管结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，而开关速度比GTO快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。 IGCT的特点是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。它的特点有： （1）高速、低功耗，具有较强的关断能力。 （2）控制方便。,2.1.7 集成门极换流晶闸管,（3）芯片可以比GTO芯片做得很薄，薄得如同二极管的PN结，故可与反并联的续流二极管集成在一个芯片上。 （4）IGCT可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行，是一种高耐压大电流器件，目前IGCT的最高阻断电压为6 kV，工作电流为4 kA。,2.1.8 MOS控制晶闸管 MOS控制晶闸管（MOS Controlled Thyristor，简称为MCT）是将功率MOSFET与晶闸管复合而得到的器件，即在晶闸管结构中引进一对MOSFET管构成的，通过这一对MOSFET管来控制晶闸管的开通和关断。 MCT把MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程与晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点相结合，构成大功率、快速的全控型电力电子器件。,1.MCT的结构 MCT的结构如图2-20所示。,如图2-21所示为MCT的等效电路和电气图形符号，T1、T2为构成晶闸管的两个三极管。,图2-21 MCT的等效电路和电气图形符号,2.MCT的工作原理 在图2-21（a）中，当正电压加在MCT开关管阳极A、阴极K之间时，如果门极G相对阳极A加负脉冲电压驱动信号时，uAG0，则igon向P沟道MOS管提供驱动信号，P沟道的on-FET导电，为T2提供基极电流，从而引发T1、T2管内部的正反馈机制：uAG使ib2ic2IKIAib1ic1ib2。随着IA的增大，T1、T2的电流分配系数12=1。最终导致MCT从断态转入通态。MCT中晶闸管部分一旦导通，其通道电阻(Tl的等效电阻)要比on-FET的导通电阻小得多，因此主电流由晶闸管T1、T2承担，on-FET管只起最初引发晶闸管电流正反馈机制的作用，一旦晶闸管导通后，撤除on-FET的外加门极控制电压uAG，MCT仍继续导通。,2.1 常用电力电子器件,若门极G相对于阳极A加上正脉冲电压信号时，uAG0，igoff向N沟道MOS管提供驱动信号使N沟道的off-FET管开通，Off-FET导电后其端电压变小，使T1管基极电流减小，从而引发T1、T2管内部正反馈控制：ib1ic1ib2IKIAic2ib1。随着IA、IC1和IC2的不断减小，Tl、T2的电流分配系数1、2越来越小，最终导致MCT从通态转入断态。,2.1.9 功率集成电路 将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。功率集成电路（Power Integrated Circuits，简称为PIC），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。功率集成电路是电力半导体技术与微电子技术结合的产物，实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。,如图2-22 所示为PIC的典型构成框图。,图2-22 PIC的典型构成框图,1.PIC技术的分类与应用 PIC包括高压功率集成电路HVIC和智能功率集成电路SPIC。 PIC的应用范围如图2-23 所示。,图2-23 PIC的应用范围,2.SPIC的基本功能 功率控制功能、保护功能和接口功能是SPIC的三个基本功能。,2.1.10 智能功率模块 随着IGBT 的工作频率在20 kHz 的硬开关及更高的软开关应用中，IGBT逐渐取代了MOSFET 和GTR。 IPM有两种类型，如图2-25所示。一种是小功率IPM，采用一种基于多层环氧树脂粘合的绝缘技术，见图2-25（a）；另一种是大功率IPM，采用陶瓷绝缘和铜箔直接铸接工艺，见图2-25（b）。,（a） 小功率IPM,（b） 大功率IPM,图2-25 IPM的两种类型,如图2-26所示，IPM有四种电路形式：单元封装H型、双管封装D型、六合一封装C型和七合一封装R型。,图2-26 IPM的四种电路形式,1. IPM的优点 IPM的优点有以下几个方面： （1）开关速度快。 （2）低功耗。 （3）快速的过流保护。 （4）过热保护。 （5）桥臂对管互锁。 （6）抗干扰能力强。 （7）驱动电源欠压保护。 （8）PM 内藏相关的外围电路。 （9）无须对功率开关器件采取防静电措施。 （10）减少了元器件数量，缩小了体积。 （11）采用了专用IC对门极进行控制、保护，不需要考虑短路及开关浪涌电压带来的裕量问题，实现了真正的高性能化。,2. IPM的保护功能 IPM中的每一个IGBT器件都设置有各自独立的驱动电路和多种保护，能够实现过电流、过电压、欠电压以及过热保护等功能。 IPM的各种保护功能为控制电源欠电压保护、过电流保护、短路保护、过热保护等。,1）控制电源欠电压保护 控制电源欠电压保护UV用于监测控制电源电压。 2）过电流保护 过电流保护OC是指由内藏的电流传感器检测各桥臂电流。 3）短路保护 短路保护SC是指由内藏的电流传感器检测各桥臂电流，有无短路保护时的电流、电压波形图，如图2-27所示。 4）过热保护 过热保护用于监测IPM基板的温度。,图2-27 有无短路保护时的电流、电压波形图,3. IPM的选用 IC值选择合适的IPM见表2-5。,表2-5 220 V电动机变频用IPM参数表,2.2.1 对触发电路的要求 1.触发信号要有足够的功率 2.触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步 3.触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡 4.触发脉冲的移相范围应能满足主电路的移相要求,2.2 电力电子器件的触发与驱动电路,2.2.2 单结晶体管触发电路 单结晶体管触发电路及波形如图2-28所示。,图2-28 单结晶体管触发电路及波形,2.2.3 同步电压为锯齿波的触发电路 同步电压为锯齿波的触发电路，如图2-29所示。,图2-29 同步电压为锯齿波的触发电路,1.同步环节 在锯齿波触发电路中，同步就是要求锯齿波的频率与主回路的频率相同。图2-29中同步环节由同步变压器TS，晶体管V2，二极管VDl、VD2，Rl及Cl等组成。在锯齿波触发电路中，同步就是要求锯齿波的频率与主回路电源的频率相同。锯齿波产生是由起开关作用的V2的周期性通断来控制电容C2的充电与放电，从而在C2两端产生锯齿波电压。V2截止期间产生锯齿波，V2截止持续时间就是锯齿波的宽度，V2开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主回路电源同步，必须使V2开关的频率与主回路电源频率达到同步。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器二次侧电压来控制V2的通断，这就保证了触发脉冲与主回路电源的同步。,2.锯齿波形成及脉冲移相环节 同步电压为锯齿波的触发电路中所包含的主要元件有V1、V9、V3、RP1、R2、R4、C2等，其中V1、V9、RP1、R4为恒流源，恒流源电流为V1的集电极电流ICl。V2作为同步开关控制C2的充放电转换。V3为射极跟随器，起阻抗变换和前后级隔离作用，以减小后级对锯齿波的影响。,当V2截止时，恒流源以恒流ICl对电容C2充电，由于采用恒流源充电，C2两端电压uC2随时间t作线性增加，充电斜率为ICl/C2。调节RP1可改变恒流源电流ICl，从而改变锯齿波的斜率。 当V2导通时，C2经电阻R5、V2放电，由于R5阻值很小，放电很快，使uC2迅速降至接近零。,工作时，把负偏移电压Ub调整到某值固定后，改变控制电压UC，就能改变ub4波形与时间横轴的交点，就改变了V4由截止转为导通的时刻，从而改变了触发脉冲产生的时刻，也就是改变控制角，达到移相控制的目的。通常设置UC0对应角的最大值，UC增大时，角随之减小。设置负偏移电压的目的是为了使控制电压UC为正，以实现单极性调节。 若晶体管发射集和二极管的正向压降均以0.7 V计，饱和压降以0.3 V计，则图2-29中的各点的电压波形如图2-30所示。,图2-30 锯 齿波触发电路个点的电压波形,3.脉冲形成、放大和输出环节 这部分电路由晶体管V4、V5、V6组成脉冲形成环节，V7、V8组成脉冲放大和输出环节，脉冲变压器TP的一次侧接在V8集电极回路中，TP的二次侧输出触发脉冲。,4.双窄脉冲形成环节 三相全控桥式电路要求触发脉冲为双窄脉冲，相邻两个脉冲间隔为60，该电路可以实现双窄脉冲输出。对于三相全控桥电路，电源三相U、V、W为正相序时，6只晶闸管的触发顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6彼此间隔60，为获得双窄脉冲，相邻两个脉冲的间隔为60。,六块触发板的X、Y可按如图2-31所示方式连接，即后相的X端与前相的Y端相连。在安装使用这种触发电路的晶闸管装置时，应先测定电源的相序，再正确连接。如果电源相序相反，装置将不会正常工作。,图2-31 触发电路实现双窄脉冲连接图,5.强触发及脉冲封锁环节 在晶闸管串并联使用或全控桥式电路中，为了保证被触发的晶闸管同时导通，可采用输出幅值高、前沿陡的强脉冲触发电路。使用强触发脉冲可以缩短晶闸管的开通时间，有利于保证串并联使用的晶闸管或全控桥电路中的晶闸管被触发时能同时导通，提高触发的可靠性。在大中容量系统的触发电路中都带有强触发环节。,2.2.4 移相集成触发电路和数字触发电路 电力电子技术的重要发展方向之一就是电力电子器件及其门控电路的集成化和模块化。 1.KC04移相集成触发器 KC04移相集成触发器是具有16个引脚的双列直插式集成元件，适用于单相、三相全控桥式装置中作晶闸管双路脉冲相控触发。KC04与分立元件构成的同步电压为锯齿波触发电路相似，也是由同步、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成与放大输出等环节构成，其内部电路如图2-32所示。,图2-32 KC04内部电路图,KC04电路各引脚电压波形，如图2-33所示。,图2-33 KC04各引脚电压波形,2.KC41C六路双脉冲形成器 KC41C是一种六路双脉冲形成器件，用一块KC41C与三块KC04（或KC09）可组成三相全控桥双脉冲触发电路，输出六路双脉冲触发信号。KC41C的内部电路及引脚示意图如图2-34所示。,图2-34 KC41C的内部电路及引脚示意图,KC41C各引脚的脉冲电压波形如图2-35所示。,图2-35 KC41C各引脚的脉冲电压波形,3.KC04、KC41C组成的三相集成触发电路 由KC04、KC41C组成三相全控桥双窄脉冲集成触发电路，如图2-36所示。,图2-36 三相全控桥式整流双窄脉冲集成触发电路,4.集成电路MC787和MC788 集成电路MC787和MC788与KC系列相比较，具有功能强、外接元器件少、不需要双电源供电、功耗少等多项优点，对于电力电子产品的小型化和方便设计具有重要意义。如图2-37所示为该电路的结构框图。,图2-37 MC787和MC788内部电路的结构框图,由MC787和MC788组成的三相触发电路原理图，如图2-38所示。,图2-38 三相触发电路,5.数字触发电路 在各种数字触发电路中，微机组成的数字触发电路结构简单、控制灵活、准确可靠。其系统框图如图2-39所示。,图2-39 微机控制触发系统框图,图2-39的触发系统中，控制角的设定值以数字形式通过接口电路传给微机，微机以同步电压基准点作为计时起点开始计数。当计数器与控制角所对应的设定值一致时，微机就发出触发信号，该信号再经接口电路、输出脉冲放大、整形电路，由隔离电路送至晶闸管。,1）单片机控制触发系统的工作原理 单片机控制触发系统是通过单片机的定时/计数器来实现的。三相全控桥电路及其触发脉冲，如图2-40所示。,图2-38 三相全控桥电路及其触发脉冲,图2-40（a）为三相全控桥电路，由三相全控桥电路工作原理可知，在一个工频周期内，若采用双脉冲触发方式，6只晶闸管的组合触发顺序应为：6、1；1、2；2、3；3、4；4、5；5、6。图2-38（b）为三相全控桥触发脉冲图形，每个工频周期要发出6对脉冲。为了使微机输出的触发脉冲与晶闸管主回路电源电压同步，必须设法在交流电源每一周期的相同位置都产生一个同步基准信号。本系统以线电压过零点作为同步电压基准点。图2-40（b）中的A点为线电压uUW的过零点，即为本周期的同步电压基准点。,单片机控制触发系统采用每一工频周期取一次同步信号作为参考点，每一对触发脉冲调整一次控制角的方法，按输出脉冲工作顺序编写的程序流程图，如图2-41所示。,图2-41 8031程序流程图,2）单片机控制触发系统的硬件设置 单片机控制触发系统的硬件配置框图，如图2-42所示。,图2-42 单片机控制触发系统的硬件配置框图,2.2.5 触发电路与主电路的同步 1.同步的概念 所谓同步，是指把一个与主电路晶闸管所受电源电压保持合适相位关系的电压提供给触发电路，确保主电路各晶闸管在每一个周期中按相同的顺序和触发延迟角被触发导通。因此，将提供给触发电路合适相位的电压称为同步信号电压。确定同步信号电压与晶闸管主电压的相位关系称为同步或定相。同步或定相问题是三相变流电路的重要组成部分。,2.实现同步的方法 实现同步的方法如下： （1）根据主电路的结构、负载的性质及触发电路的型式与脉冲移相范围的要求，确定该触发电路的同步电压uS与对应晶闸管阳极电压uU之间的相位关系。 （2）根据整流变压器TR的接法，以某线电压作参考矢量，画出整流变压器二次电压即晶闸管阳极电压的矢量图，再根据步骤确定的同步电压uS与晶闸管阳极电压uU的相位关系，画出电源的同步相电压和同步线电压矢量图，确定同步变压器的接线组标号。 （3）根据同步变压器二次线电压矢量位置，定出同步变压器TS的钟点数的接法，然后确定出uSU、uSV、uSW分别接到VT1、VT3、VT5管触发电路输入端；确定出uS(-U)、uS(-V)、uS(-W)分别接到VT4、VT6、VT2管触发电路的输入端，这样就保证了触发电路与主电路的同步。,3.触发电路同步电压的确定 触发电路同步电压的确定方法如下： （1）根据晶闸管主电路的结构、所带负载的性质及采用的触发电路的形式，确定出该触发电路能够满足移相要求的同步电压与晶闸管阳极电压的相位关系。 （2）用三相同步变压器的不同连接方式或再配合阻容移相得到上述确定的同步电压。,如图2-43所示为三相全控桥式电路带电感性负载主电路接线。,图2-43 三相全控桥式整流电路带电感性负载的分析,2.2.6 全控型电力电子器件的驱动电路 晶闸管的控制端只能控制其导通，而不能控制其关断，因而属于半控型器件。与晶闸管不同的是，另有一类具有自关断能力的电力电子器件，属于全控型器件，其控制端具有控制器件导通和关断的双重功能，这类器件也称为自关断器件。为了实现上述功能，需要在这些器件的控制端接入驱动电路。驱动电路是全控型电力电子器件主电路与控制电路之间的接口，对整个电力电子装置的性能影响很大。由于各种自关断器件的导通和关断机理差别很大，因此，其驱动电路也有很大不同。,1. GTR基极驱动电路,1）对GTR基极驱动电路的要求 理想的功率晶体管基极驱动电流波形如图2-44所示。对GTR基极驱动电路的要求一般有：,图2-44 理想的GTR基极驱动电流波形,（1）导通时，要采用强驱动，驱动电流前沿要陡，并有一定幅度的过冲电流Ib1，以加速开通过程，减小开通损耗，过饱和系数般为1.52。 （2）功率晶体管导通后，应相应减小驱动电流Ib2，使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，以降低驱动功率，又可缩短关断时间。,（3）功率晶体管关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流Ib3，迅速抽取基区的剩余载流子，以加快关断速度，减少关断损耗。 （4）应能实现主电路与控制电路间的电隔离，以保证安全，提高抗干扰能力。 （5）应有较强的抗干扰能力，并具有一定的保护功能。,2）驱动电路中的电气隔离 在驱动电路中，常采用光隔离或磁隔离来实现主电路与控制电路之间的电气隔离。如图2-45所示为光耦合器的隔离情况。,图2-45 光耦合器的隔离情况,磁隔离所采用的器件，较典型的是脉冲变压器，如图2-46所示为脉冲变压器的电气符号及外形。,图2-46 脉冲变压器的电气符号及外形,2.功率MOSFET栅极驱动电路 1）栅极驱动电路的特点及要求 功率MOSFET是电压控制型器件，栅极的输入阻抗高，静态时几乎不需要输入电流。但由于栅极存在输入电容Ci在开通和关断过程中需要对输入电容充放电，因而需要驱动电路提供一定的驱动电流。,理想的栅极控制电压波形如图2-47所示。,图2-47 理想的栅极控制电压波形,2）对功率MOSFET栅极驱动电路的要求 对功率MOSFET栅极驱动电路的要求有： （1）触发脉冲的前后沿要陡。 （2）减小栅极电容充放电回路的电阻值，以提高栅极充放电速度，从而提高功率MOSFET的开关速度。 （3）栅极驱动电路向栅极提供需要的栅源电压应高于功率MOSFET的开启电压UGS(th)，以保证其可靠开通，但应小于其栅源击穿电压U(BR)GS（通常为+20 V）。,（4）为了防止功率MOSFET截止时误导通，故应在其截止时提供负的栅源电压，该电压还应小于U(BR)GS。 （5）应能实现主电路与控制电路的电气隔离。 （6）由于功率MOSFET通常工作频率高、输入电阻大、易被干扰，应具有较强的抗干扰能力。,3. IGBT栅极驱动电路 IGBT是以GTR为主导组件、MOSFET为驱动组件的复合结构器件，因此其栅极驱动电路与功率MOSFET的栅极驱动电路有相似之处。 1）对IGBT栅极驱动电路的要求对IGBT栅极驱动电路的要求有： （1）IGBT为电压驱动，输入极为绝缘栅极，有一个容性输入阻抗，对电荷积聚很敏感，因此，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线应尽量短。,（2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE的前后沿足够陡峭，减少IGBT的开关损耗。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率，以使IGBT的开、关可靠，并避免在开通期间因退饱和而使IGBT损坏。,（3）要提供大小适当的正反向驱动电压UGE。正向偏压UGE增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降。但若UGE过大，则在有短路过程的设备中， IC随UGE的增大而增大，使IGBT能承受短路电流的时间减小，不利于其本身的安全。因此，UGE应取得小一些，一般选UGE为1215 V。,（4）在关断时，为尽快抽取IGBT的存储电荷，防止因关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，应对其施加负偏压（UGE），但其值又受C、E间最大反向耐压限制，一般取510 V。 （5）要提供合适的开关时间。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗，但在大电感负载情况下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，防止元器件击穿。,（6）要有较强的抗干扰能力并带有对IGBT的保护功能。 （7）IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，因此驱动电路与信号控制电路在电位上应严格隔离。,2.2.7 电力电子器件的保护 1.晶闸管的保护 1）过电流及其保护 当线路发生超载或短路等情况时，晶闸管的工作电流会超过允许值，形成过电流。此时，由于流过管内PN结的电流过大，热量来不及散发，使结温迅速升高，最后烧毁结层，造成晶闸管永久损坏。,产生过电流的常见原因有以下几个方面：电网电压波动太大；电动机拖动的负载过大；整流电路直流输出侧短路、逆变电路因逆变失败引起的很大的短路电流；可逆传动环流过大、控制系统故障，产生的过电流；内部晶闸管损坏或触发电路故障使晶闸管误导通，造成相邻桥臂上的晶闸管导通，引起两相电源短路。 晶闸管承受过电流的能力较差，要在过电流还未造成晶闸管损坏之前，快速切断相应电路而消除过电流或对电流加以限制。可采用的过电流保护措施，如图2-48所示。,图2-48 晶闸管装置可采用的过电流保护措施1进线电抗限流； 2电流检测和过流继电器； 3、4、5快速熔断器； 6过电流继电器； 7直流快速断路器,如图2-49所示为快熔常见的三种接法。 可采用的保护措施主要有以下几种： （1）快速熔断器保护。快速熔