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1、变频器原理与应用（第2版）第2章,第二章 变频器常用电力电子器件,2.1 功率二极管（D）功率二极管的内部是P-N或P-I-N结构，图示为功率二极管的电路符号和外形。a)b)c)图2-1 功率二极管的符号和外形 a)功率二极管的符号 b)螺旋式二极管的外形 c)平板式二极管的外形,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.伏安特性,功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。正向特性：当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，当正向电压大于0.5V时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通。反向特性：当二极管加上反向电压 时，起始段的反向漏电流也很小
2、，而且 随着反向电压增加，反向漏电流只略有 增大，但当反向电压增加到反向不重复 峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增 加。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.1.2 主要参数,1.额定正向平均电流IF 在规定的环境温度和标准散热条件下，元件所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。2.反向重复峰值电压URRM 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。3.正向平均电压UF 在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.1.3 功
3、率二极管的选用,1.选择额定正向平均电流IF 的原则 IDn=1.57 IF=(1.52)IDM 2.选择额定电压URRM 的原则 URRM=（23）UDM,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.1.4 功率二极管的分类,功率二极管一般分为三类：(1)标准或慢速恢复二极管；(2)快速恢复二极管；(3)自特基二极管。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.2 晶闸管（SCR）,2.2.1 晶闸管的结构 晶闸管是四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其内部结构和等效电路如图所示。a)b)c)图2-3 晶闸管的内部结构及等效电路 a)芯片内部结构 b)以三个PN结等效 c)以互补三极管等效
4、,变频器原理与应用（第2版）第2章,晶闸管的外形及符号,a)b)c)图2-4 晶闸管的外形及符号 a)晶闸管的符号 b）螺栓式外形 b）带有散热器平板式外形,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.2.2 晶闸管的导通和关断控制,晶闸管的导通控制：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，即可使晶闸管导通。导通的晶闸管的关断控制：令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性,晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。图2-5 晶闸管的阳极伏安
5、特性,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.2.4 晶闸管的参数,1.正向断态重复峰值电压DRM 2.反向重复峰值电压RRM 3.通态平均电压T(AV)4.晶闸管的额定电流T(v)5.维持电流H 6.擎住电流L,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数,1.门极伏安特性 门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结，所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图2-6所示。图2-6,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.门极主要参数,（1）门极不触发电压GD和门极不触发电流GD（2）门极触发电压GT和门极触
6、发电流GT（3）门极正向峰值电压GM、门极正向峰值电流 GM和门极峰值功率GM,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.2.6 晶闸管触发电路,1.晶闸管对触发电路的要求 触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；触发脉冲与主电路电源电压必须同步；触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。2.触发电路的分类 依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.触发电路的分类,触发电路可按不同的方式分类，依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字
7、式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.2.7 晶闸管的保护,1.晶闸管的过电流保护 1)快速熔断器保护(见下图）2）过电流继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧。3）限流与脉冲移相保护。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.晶闸管过电压保护,晶闸管过电压产生的原因主要有：关断过电压、操作过电压和浪涌过电压等。对过电压的保护方式主要是接入阻容吸收电路、硒堆或压敏电阻等。图2-8为交流侧接入阻容吸收电路的几种方法。硒堆或压敏电阻的联结方法与此相同。,变频器原理与应用（第2版）第2章,交流侧接入阻容吸收电路的几种方法,图2
8、-8,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.3 门极可关断晶闸管（GTO）,2.3.1 GTO的结构 GTO的结构也是四层三端器件 a)b)图2-9 GTO的结构与符号 a)GTO的结构剖面 b)图形符号,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.3.2 GTO的主要参数,1.最大可关断阳极电流TO 通常将最大可关断阳极电流TO作为GTO的额定电流。2.关断增益off 关断增益off为最大可关断阳极电流ATO与门极负电流最大值GM之比，其表达式为 off ATO/GM off比晶体管的电流放大系数小得多，一般只有左右。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.3.3 GTO的门极控制,GTO桥式门极
9、驱动电路的工作原理是：当V1与V2饱和导通时，形成门极正向触发电流，使GTO导通；当触发VT1、VT2这两只普通晶闸管导通时，形成较大的门极反向电流，使GTO关断。GTO桥式门极驱动电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.3.4 GTO的缓冲电路,图2-13 GTO斩波器及其保护电路 图中R、L为负载，VD为续流二极管，LA是GTO导通瞬间限制didt的电感。RsCs和VDs组成了缓冲电路。GTO的阳极电路串联一定数值的电感L来限制didt。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.4 功率晶体管（GTR）,2.4.1 GTR的结构 a)b)c)图2-14 GTR 摸块a)GTR的结构示意图
10、 b)GTR摸块的外形c)GTR摸块的等效电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.4.2 GTR的参数,(1)UCEO：既基极开路CE间能承受的电压。(2)最大电流额定值ICM：(3)最大功耗额定值PCM（4）开通时间ton：包括延迟时间td和上升时间tr。（5）关断时间off：包括存储时间s和下降时间f。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.4.3 二次击穿现象,当集电极电压UCE逐渐增加，到达某一数值时，如上述UCEO，IC剧增加，出现击穿现象。首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流(或功耗)，流过结
11、的反向电流不会太大，进入击穿区的时间不长，一次击穿具有可逆性，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续增大，此时若GTR仍在工作，GTR的工作状态将迅速出现大电流，并在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.4.4 GTR的驱动电路,抗饱和恒流驱动电路 图2-16 抗饱和恒流驱动电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.4.5 GTR的缓
12、冲电路,缓冲电路也称为吸收电路，它是指在GTR电极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感及二极管组成，如图2-17所示为缓冲电路之一。图2-17 GTR的缓冲电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5 功率场效应晶体管（P-MOSFET）,2.5.1 功率场效应管的结构 a)b)图2-18 P-MOSFET的结构与符号 a)P-MOSFET的结构 b)P-MOSFET符号,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.2 P-MOSFET的工作原理,当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源之间电压为零或为负时，型区和-型漂移区之间的结反向，漏源之间无电流流过。如果在栅极和源极加正向电压UGS，不会
13、有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的型区表面。当UGS大于某一电压值UT时，栅极下面型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使型半导体反型成型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID。电压UT称为开启电压，UGS超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.3 P-MOSFET的特性,.转移特性 输出特性,变频器原理与应用（第2版）第2章,.开关特性,.开关特性,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.4 P-MOSFET的主要参数,1.漏源击穿电压BUDS 2.漏极连续电流ID和漏极峰值电流ID
14、M 3.栅源击穿电压BUGS 4.开启电压UT 5.极间电容 6.通态电阻Ron,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.5-的栅极驱动,1）触发脉冲的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要高于器件的开启电压，以保证-的可靠触发导通。2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电容提供低电阻放电回路，减小栅极电容的充放电时间常数，提高-的开关速度。3）-开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电流。-的极间电容越大，所需的驱动电流也越大。为了使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大的数值。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.5.6 P-的保护,1.工作保护 栅源过电压的保护 漏源
15、过电压的保护 过电流保护 2.静电保护 器件应存放在抗静电包装袋、金属容器或导电材料包装袋中，工作人员取用器件时，必须使用腕带良好接地，且应拿器件管壳，不要拿引线；安装时，工作台和电烙铁应良好接地；测试时，测量仪器和工作台要良好接地，器件的三个电极必须都接入测试仪器或电路，才能施加电压。改换测试时，电压和电流要先恢复到零。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.6 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2.6.1 IGBT的结构 a)b)c)d)图2-24IGBT结构示意图、电路符号和等效电路a)IGBT模块 b)IGBT结构示意图c)电路符号d)等效电路,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.6.2
16、 IGBT的基本特性,1)传输特性 2)输出特性,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.6.3 IGBT的主要参数,1)集电极-发射极额定电压UCES 2)栅极-发射极额定电压UGES 3)额定集电极电流IC，4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)5)开关频率,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.6.4 IGBT的驱动电路,1)驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2)用内阻小的驱动源对栅极电容充放电。3)驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4)驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。5)在关断过程中，应施加一负偏压UGE。6)在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以确保IGBT的安全。
17、7)驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.7 集成门极换流晶闸管（IGCT）,2.7.1 IGCT的结构与工作原理1.结构 a）b）图2-25GTO、GCT的结构图 图2-26 IGCT的符号 a）GTO的结构图b）GCT的结构图,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.IGCT的工作原理,IGCT的导通原理与GTO完全一样，但关断原理与GTO完全不同，在GCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管以后再关断，所以它不受外加电压变化率du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，所以GTO需要很大
18、的吸收电路来抑制外加电压变化率du/dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联电路。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.7.2 IGCT的特点,（1）缓冲层（2）透明阳极（3）逆导技术（4）门极驱动技术,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.8 智能功率模块(1PM),2.8.1 IPM的结构 IPM智能功率模块内部基本结构图,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.8.2 IPM的主要特点,IPM 内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定；IPM内含过流（OC）保护、短路（SC）保护，使检测功耗小、灵敏、准确；IPM内含欠电压（UV）
19、保护，当控制电源电压小于规定值时进行保护；IPM内含过热（OH）保护，可以防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT内部的绝缘基板上设有温度检测元件，结温过高时即输出报警（ALM）信号，该信号送给变频器的单片机，使系统显示故障信息并停止工作。IPM还内含制动电路，用户如有制动要求可另购选件，在外电路规定端子上接制动电阻，即可实现制动。,变频器原理与应用（第2版）第2章,2.8.3 IPM选择注意事项,（1）采用光电耦合器 由于IPM驱动电路要求信号传输延迟时间不应超过0.5s，因而器件只能采用快速光电耦合器，可选用逻辑门光电耦合器6N137。该器件工作于TTL电平，而IPM模块的开关逻辑信号为1
20、5V，因此，还需设计一个电平转换电路。（2）采用双脉冲变压器 对于20kHz的PWM开关控制信号，可采用脉冲变压器直接传送，但注意存在磁芯体积较大和开关占空比范围受限制的问题。对于20kHz的开关信号，也可采用4MHz高频调制的方法来实现PWM信号的传送。,变频器原理与应用（第2版）第2章,本 章 小 结,功率二极管的结构是一个PN结，加正向电压导通，加反向电压截止，是不可控的单向导通器件。普通晶闸管（SCR）是双极型电流控制器件。当对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当正向电压时，晶闸管导通。但导通后门极失去控制作用，不能用门极控制晶闸管关断，所以它是半控器件。
21、GTO即可关断晶闸管，它的导通控制与SCR一样，但门极加负电压可使GTO关断，是全控器件。GTR是双极型全控器件，工作原理与普通中小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它承受的电压和电流数值大。,变频器原理与应用（第2版）第2章,本 章 小 结,功率场效应晶体管（P-MOSFET）是单极型全控器件，属于电压控制，驱动功率小。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是复合型全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想功率器件。IGCT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，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。智能功率模块（IPM）是将高速度、低功耗的IGBT，与栅极驱动器和保护电路一体化，IPM具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。,变频器原理与应用（第2版）第2章,谢谢！,
