变频器技术原理及培训常用晶闸管的结构

螺栓型晶闸管

晶闸管模块

(C)

平板型晶闸管外形及结构

1.4 典型全控型器件 ·引言常用的典型全控型器件GTR 、电力 MOSFET 和 IGBT 等器件的常用封装形式。

(B)

1.4.3 电力场效应晶体管电力 MOSFET 的结构

b) a) 图1-19 电力 MOSFET 的结构和电气图形符号

是单极型晶体管。 导电机理与小功率 MOS 管相同，但结构上多采用垂直 导电结构，又称为 VMOSFET 。

采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。(B)

图 a ) 为垂直导电双扩散结构，即 VDMOSFET 。

绝缘栅双极晶体管1 ) IGBT 的结构和工作原理三端器件：栅极 G 、集电极 C 和发射极 E 。 IGBT 比 VDMOSFET 多一层 P+ 注入区，具有很强的通流 能力。

图1-22 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号(B)

a) 内部结构断面示意图 b) 等效电路 c) 简化等效电路 d) 电气图形符号

功率模块与功率集成电路例：部分功率模块、IPM、电力半导体器件及驱动电路

(A)

单相桥式逆变电路逆变电路最基本的工作 原理 —— 改变两组开 关切换频率，可改变输 出交流电频率。阻感负载时，io 相位滞 后于 uo ,波形也不同。 电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相 位也相同。 S1 ~ S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件 及辅助电路组成。(B)

uo

a)

iot1 t2

t b)

图5-1 逆变电路及其波形举例6

6.1 PWM 控制的基本思想重要理论基础 —— 面积等效原 理 采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量 窄脉冲的面积 环节的输出响应波形基本相同f (t) f (t) d (t)

效果基本相同f (t) f (t)

O

a) 矩形脉冲

t O

b) 三角形脉冲

t

c) 正弦半波脉冲

O

t

O

d) 单位脉冲函数7

t

图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲(B)

PWM 控制的基本思想如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波u

SPWM 波>

u

O

ωt

O

>t ω

u

O

ωt

>

若要改变等效输出正 弦波幅值，按同一比例 改变各脉冲宽度即可。(C)8

单极性 PWM 控制方式(单相桥 V1 和 逆变)V2 、V3 和 V4 的通断彼此互补。在 ur 和 uc 的交 点时刻控制 IGBT 的通断。 ur 正半周，V1 保持通，V2 保持断。 当 ur > uc 时使 V4 通，V3 断， uo = Ud 。 当 ur < uc 时使 V4 断，V3 通， uo = 0 。 ur 负半周，请同学们自己分析。 表示 uo 的基波分量(B)u

6.2.1 计算法和调制法

uc

ur

O

wt

uo Ud

uou of

O -U d

wt

图6-5 单极性 PWM 控制方式波形

双极性 PWM 控制方式(单相桥 在 ur 和 逆变) uc 的交点时刻控制IGBT 的通断。 在 ur 的半个周期内，三角波载

波有

正有负，所得 PWM 波也 有正有负，其幅值只有±Ud 两 种电平。同样在调制信号 ur 和载波信号 uc 的交点时刻控制器件的通断。 ur 正负半周，对各开关器件的 控制规律相同。(B)

u

ur

uc

O

wt

uo Ud O -Ud

u of

uo

wt

图6-6 双极性 PWM 控制方式波形

u

uc

ur

6.2.1 计算法和调制法u ur uc

O uo uof

wt

O

wt

uo Ud O -Ud

uo Ud

u of

uo

wt

O -Ud

wt

图 6-5 单极性 PWM 控制方式波形 图 6-6 双极性 PWM 控制方式波形

对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调 制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不 同，它们的输出波形也有较大的差别。 注：1、试比较以上两种方式的异同点。2、哪种方式效果相对更好？ (B) 3、若用示波器观察以上两波形会看到什么结果？

变频器输入电流波形

2.4.1 电容滤波的单相不可控整流 电路感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况，但分析复杂。 Ud 波形更平直，电流 i2 的上升段平缓了许多，这对于 电路的工作是有利的。i2,u2,ud u2 ud

i2

d

0

q

p

wt

a)

b)

图2-29 感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a) 电路图 b)波形

(C)

2.4.2 电容滤波的三相不可控 整流电路 1 ) 基本原理某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中 最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud 按指数 规律下降。ud u ab u uac d ia

d

0 q

p 3

p

wt

id

O a) b)

wt

图2-30 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形 (C)

考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流 而串联的电感时的工作情况： 电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工 作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧 电流波形逐渐接近。ia O b)

2.4.2 电容滤波的三相不可控 整流电路

wt

ia

O

wtc)

图2-32 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形 (C)a)电路原理图 b)轻载时的交流侧电流波形 c)重载时的交流侧电流波形

5.4.2 多电平逆变电路例:“完美无谐波”高压变频器为减少输入电流中的谐波、提高 功率因数，工频变压器采用相位彼此 差开相等电角度的多副边结构，每一 组副边接一个图 b) 所示的基本功率 单元。高压变频器每一相由若干个基 本功率单元串联组成 ( 图 a) 为 3 个单 元串联 ),实现高压输出。 串联的单元数越多，输出的电压 越高，而输入电流越接近正弦。 此类变频器已成功地用于高压电 机变频调速的场合。

(A)

b ) 基本功率单元

a ) 串联连接三相高压 变频器原理图

EXB841的工作原理

1 )正常开通过程 当控制电路使 EXB

841 输入端脚 14 和脚 15 有 10mA 的电流流过时，光耦合器 IS0l 就会导通， A 点电位迅 速下降至 0V ,使 V1 和 V 2 截止； V 2 截止使 D 点电位上升至 20V , V4 导通， V5 截止， EXB841 通 过 V4 及栅极电阻 Rg 向 IGBT 提供电流使之迅速导 通 , Uc 下降至 3V 。与此同时， V1 截止使十 20V 电源 通 R3 向电容 C2 充电，时间常数 r1 为 r1=R3c2=2 ·42us ( 2 - 17 ) 又使 B 点电位上升，它由零升到 13V 的时间可用下式 求得 : 13 = 20 ( 1 - e ^ (-t/r1) ( 2 - 18 ) t=2 ·54uS ( 2 - 19 )

然而由于 IGBT 约 lus 后已导通， Uce 下降 至 3V ,从而将 EXB841 脚 6 电位箝制 在 8V 左右，因此 B 点和 C 点电位不会充 到 13V ,而是充到 8V 左右，这个过程时 间为 1 〃 24us ;又稳压管 VZ1 的稳压值 为 13V , IGBT 正常开通时不会被击穿 ， V3 不通， E 点电位仍为 20V 左右 ，二极管 VD6 截止，不影响 V4 和 V5 的 正常工作。

2 )正常关断过程控制电路使 EXB841 输 入端脚14 和脚15 无电流流过，光耦合器 IS01 不通， A 点电位上升使 V1 和 V2 导 通； V 2 导通使 V 4 截止， V 5 导通 ， IGBT 栅极电荷通过 V 5 迅速放电， 使 EXB841 的脚 3 电位迅速下降至 0V ( 相对于的 EXB841 脚 1 低 5V ), 使 IGBT 可靠关断， Uce 迅速上升， 使 EXB841 的脚 6 “悬空”。与此同 时 V1 导通， C2 通过 V1 更快放电， 将 B 点和 C 点电位箝在 0V ,使 VZI 仍不通，后继电路不会动作 , IGBT 正常关 断。