變頻器常用電力電子器課件

1、變頻器常用電力電子器第二章 變頻器常用電力電子器件 2.1 功率二極管（D） 功率二極管的內(nèi)部是P-N或P-I-N結(jié)構(gòu) ，圖示為功率二極管的電路符號和外形。 a) b) c) 圖2-1 功率二極管的符號和外形 a) 功率二極管的符號 b) 螺旋式二極管的外形 c) 平板式二極管的外形變頻器常用電力電子器 2. 伏安特性 功率二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，其伏安特性曲線如圖所示。 正向特性：當(dāng)從零逐漸增大正向電壓時，開始陽極電流很小，當(dāng)正向電壓大于0.5V時，正向陽極電流急劇上升，管子正向?qū)ā?反向特性：當(dāng)二極管加上反向電壓 時，起始段的反向漏電流也很小，而

2、且 隨著反向電壓增加，反向漏電流只略有 增大，但當(dāng)反向電壓增加到反向不重復(fù) 峰值電壓值時，反向漏電流開始急劇增 加。 變頻器常用電力電子器 2.1.2 2.1.2 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 額定正向平均電流IF 在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件所允許長時間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值。 2. 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。 3. 正向平均電壓UF 在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值 變頻器常用電力電子器 2.1.3 2

3、.1.3 功率二極管的選用功率二極管的選用 1. 選擇額定正向平均電流IF 的原則 IDn = 1.57 IF =(1.52) IDM 2. 選擇額定電壓URRM 的原則 URRM =（23）UDM 57. 1)25 . 1 (DMFII變頻器常用電力電子器 2.1.2.1.4 4 功率二極管的分類功率二極管的分類 功率二極管一般分為三類： (1)標(biāo)準(zhǔn)或慢速恢復(fù)二極管； (2)快速恢復(fù)二極管； (3)自特基二極管。變頻器常用電力電子器 2.2 2.2 晶閘管（晶閘管（SCRSCR） 2.2.1 2.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其內(nèi)部

4、結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。 a) b) c) 圖2-3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路 a) 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) b) 以三個PN結(jié)等效 c) 以互補三極管等效變頻器常用電力電子器晶閘管的外形及符號晶閘管的外形及符號 a) b) c) 圖2-4 晶閘管的外形及符號 a) 晶閘管的符號 b）螺栓式外形 b）帶有散熱器平板式外形變頻器常用電力電子器 2.2.2 晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷控制 晶閘管的導(dǎo)通控制： 在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極間也加正向電壓形成觸發(fā)電流，即可使晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶閘管的關(guān)斷控制： 令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限

5、值以下。 變頻器常用電力電子器 2.2.3 晶閘管的陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性 晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。 圖2-5 晶閘管的陽極伏安特性 變頻器常用電力電子器 2.2.4 晶閘管的參數(shù)晶閘管的參數(shù) 1. 正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓DRM 2. 反向重復(fù)峰值電壓RRM 3. 通態(tài)平均電壓T(AV) 4. 晶閘管的額定電流T(v) 5. 維持電流H 6. 擎住電流L 變頻器常用電力電子器2.2.5 晶閘管的門極伏安特性及主要參數(shù)晶閘管的門極伏安特性及主要參數(shù) 1. 門極伏安特性 門極伏安特性是指門極電壓與電流的關(guān)系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個PN結(jié)，所

6、以電壓與電流的關(guān)系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線如圖2-6所示。 圖2-6變頻器常用電力電子器 2. 門極主要參數(shù)門極主要參數(shù) （1）門極不觸發(fā)電壓）門極不觸發(fā)電壓GD和門極不觸發(fā)電流和門極不觸發(fā)電流GD （2）門極觸發(fā)電壓）門極觸發(fā)電壓GT和門極觸發(fā)電流和門極觸發(fā)電流GT （3）門極正向峰值電壓）門極正向峰值電壓GM、門極正向峰值電流、門極正向峰值電流 GM和門極峰值功率和門極峰值功率GM變頻器常用電力電子器 2.2.6 2.2.6 晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路1.1.晶閘管對觸發(fā)電路的要求晶閘管對觸發(fā)電路的要求 觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率和一定的寬度；觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率和

7、一定的寬度； 觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步；觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步； 觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變流裝置提出的要求。觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變流裝置提出的要求。2. 觸發(fā)電路的分類觸發(fā)電路的分類 依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制方式可分為相控式、斬控式觸發(fā)電路； 依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路； 依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。 變頻器常用電力電子器 2. 2. 觸發(fā)電路的分類觸發(fā)電路的分類 觸發(fā)電路可按不同的方式分類，依控制方式可分為相

8、控式、斬控式觸發(fā)電路；依控制信號性質(zhì)可分為模擬式、數(shù)字式觸發(fā)電路；依同步電壓形成可分為正弦波同步、鋸齒波同步觸發(fā)電路等。 變頻器常用電力電子器 2.2.7 2.2.7 晶閘管的保護晶閘管的保護 1.晶閘管的過電流保護 1) 快速熔斷器保護 (見下圖） 2）過電流繼電器保護。過電流繼電器可安裝在交流側(cè)或直流側(cè)。 3）限流與脈沖移相保護。變頻器常用電力電子器2. 2. 晶閘管過電壓保護晶閘管過電壓保護 晶閘管過電壓產(chǎn)生的原因主要有：關(guān)斷過電壓、操作過電壓和浪涌過電壓等。對過電壓的保護方式主要是接入阻容吸收電路、硒堆或壓敏電阻等。圖2-8為交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法。硒堆或壓敏電阻的聯(lián)結(jié)方法與

9、此相同。變頻器常用電力電子器交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法交流側(cè)接入阻容吸收電路的幾種方法 圖圖2-82-8 變頻器常用電力電子器 2.3 2.3 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO） 2.3.1 GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) GTO的結(jié)構(gòu)也是四層三端器件 a) b) 圖2-9 GTO的結(jié)構(gòu)與符號 a) GTO的結(jié)構(gòu)剖面 b) 圖形符號變頻器常用電力電子器2.3.2 2.3.2 GTOGTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1. 1. 最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流TOTO 通常將最大可關(guān)斷陽極電流通常將最大可關(guān)斷陽極電流TO作為作為GTOGTO的額定電流。的額定電流。2. 2. 關(guān)斷增益關(guān)斷

10、增益off 關(guān)斷增益關(guān)斷增益off為最大可關(guān)斷陽極電流為最大可關(guān)斷陽極電流ATOATO與門極負電流與門極負電流最大值最大值GMGM之比，其表達式為之比，其表達式為 off ATO/GM offoff比晶體管的電流放大系數(shù)比晶體管的電流放大系數(shù)小得多，一般只有左小得多，一般只有左右。右。 變頻器常用電力電子器 2.3.3 2.3.3 GTOGTO的門極控制的門極控制 GTO橋式門極驅(qū)動電路的工作原理是：當(dāng)V1與V2飽和導(dǎo)通時，形成門極正向觸發(fā)電流，使GTO導(dǎo)通；當(dāng)觸發(fā)VT1、VT2這兩只普通晶閘管導(dǎo)通時，形成較大的門極反向電流，使GTO關(guān)斷。 GTO橋式門極驅(qū)動電路 變頻器常用電力電子器 2.3

11、.4 GTO的緩沖電路的緩沖電路 圖2-13 GTO斬波器及其保護電路 圖中R、L為負載，VD為續(xù)流二極管， LA是GTO導(dǎo)通瞬間限制didt的電感。RsCs和VDs組成了緩沖電路。 GTO的陽極電路串聯(lián)一定數(shù)值的電感L來限制didt 。變頻器常用電力電子器 2.4 2.4 功率晶體管（功率晶體管（GTRGTR） 2.4.1 2.4.1 GTRGTR的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) a) b) c) a) b) c)圖圖2-14 2-14 GTR GTR 摸塊摸塊a) GTRa) GTR的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖 b)GTRb)GTR摸塊的外形摸塊的外形c) GTRc) GTR摸塊的等效電路摸塊的等效電路變頻器常用

12、電力電子器 2.4.2 2.4.2 GTRGTR的參數(shù)的參數(shù) (1) UCEO：既基極開路CE間能承受的電壓。 (2) 最大電流額定值ICM ： (3) 最大功耗額定值PCM （4）開通時間ton：包括延遲時間td和上升時間tr。（5）關(guān)斷時間off：包括存儲時間s和下降時間f 。 變頻器常用電力電子器2.4.3 二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿現(xiàn)象 當(dāng)集電極電壓UCE逐漸增加，到達某一數(shù)值時，如上述UCEO，IC劇增加，出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。首先出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿，這種擊穿是正常的雪崩擊穿。這一擊穿可用外接串聯(lián)電阻的辦法加以控制，只要適當(dāng)限制晶體管的電流(或功耗)，流過結(jié)的反向電流不會太大，進入擊穿區(qū)的

13、時間不長，一次擊穿具有可逆性，一般不會引起晶體管的特性變壞。但是，一次擊穿出現(xiàn)后若繼續(xù)增大偏壓UCE，而外接限流電阻又不變，反向電流IC 將繼續(xù)增大，此時若GTR仍在工作，GTR的工作狀態(tài)將迅速出現(xiàn)大電流，并在極短的時間內(nèi)，使器件內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過熱點。電流急劇增長，此現(xiàn)象便稱為二次擊穿。一旦發(fā)生二次擊穿，輕者使GTR電壓降低、特性變差，重者使集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通，使晶體管受到永久性損壞。變頻器常用電力電子器2.4.2.4.4 GTR4 GTR的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路 抗飽和恒流驅(qū)動電路抗飽和恒流驅(qū)動電路 圖2-16 抗飽和恒流驅(qū)動電路變頻器常用電力電子器2.4.5 GTR的緩沖電路的緩沖電路

14、 緩沖電路也稱為吸收電路，它是指在緩沖電路也稱為吸收電路，它是指在GTR電極上附加的電路，通常由電阻、電電極上附加的電路，通常由電阻、電容、電感及二極管組成，如圖容、電感及二極管組成，如圖2-17所示為所示為緩沖電路之一。緩沖電路之一。 圖2-17 GTR的緩沖電路變頻器常用電力電子器2.5 2.5 功率場效應(yīng)晶體管（功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFETP-MOSFET） 2.5.1 功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) a) b) a) b) 圖圖2-18 2-18 P-MOSFETP-MOSFET的結(jié)構(gòu)與符號的結(jié)構(gòu)與符號 a) P-MOSFET a) P-MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) b) P-

15、MOSFETb) P-MOSFET符號符號 變頻器常用電力電子器2.5.2 P-MOSFET的工作原理的工作原理 當(dāng)漏極接電源正極，源極接電源負極，柵源之間電壓為零或為負時，型區(qū)和-型漂移區(qū)之間的結(jié)反向，漏源之間無電流流過。 如果在柵極和源極加正向電壓UGS，不會有柵流。但柵極的正電壓所形成電場的感應(yīng)作用卻會將其下面型區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的型區(qū)表面。當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時，柵極下面型區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體，溝通了漏極和源極，形成漏極電流ID。電壓UT稱為開啟電壓，UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強。漏極電流ID越大。變頻器常用電力電子器 2.

16、5.3 P-MOSFET的特性的特性 . . 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 輸出特性輸出特性 變頻器常用電力電子器 . . 開關(guān)特性開關(guān)特性 . . 開關(guān)特性開關(guān)特性 變頻器常用電力電子器2.5.4 P-MOSFETP-MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1. 漏源擊穿電壓BUDS 2. 漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM 3. 柵源擊穿電壓BUGS 4. 開啟電壓UT 5. 極間電容 6. 通態(tài)電阻Ron 變頻器常用電力電子器2.5.5 -的柵極驅(qū)動的柵極驅(qū)動 1）觸發(fā)脈沖的前后沿要陡峭，觸發(fā)脈沖的電壓幅值要高于器件的開啟電壓，以保證-的可靠觸發(fā)導(dǎo)通。 2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極電容

17、提供低電阻放電回路，減小柵極電容的充放電時間常數(shù)，提高-的開關(guān)速度。 3）-開關(guān)時所需的驅(qū)動電流為柵極電容的充放電流。-的極間電容越大，所需的驅(qū)動電流也越大。為了使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動電流要具有較大的數(shù)值。變頻器常用電力電子器2.5.6 P-的保護的保護 1. 工作保護 柵源過電壓的保護 漏源過電壓的保護 過電流保護 2. 靜電保護 器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、金屬容器或?qū)щ姴牧习b袋中，工作人員取用器件時，必須使用腕帶良好接地，且應(yīng)拿器件管殼，不要拿引線； 安裝時，工作臺和電烙鐵應(yīng)良好接地； 測試時，測量儀器和工作臺要良好接地，器件的三個電極必須都接入測試儀器或電路，才能施加

18、電壓。改換測試時，電壓和電流要先恢復(fù)到零。 變頻器常用電力電子器2.6 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 2.6.1 2.6.1 IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) a) b) c) d) a) b) c) d) 圖圖2-242-24IGBTIGBT結(jié)構(gòu)示意圖、電路符號和等效電路結(jié)構(gòu)示意圖、電路符號和等效電路a) IGBTa) IGBT模塊模塊 b)IGBTb)IGBT結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖c)c)電路符號電路符號d)d)等效電路等效電路變頻器常用電力電子器2.6.2 2.6.2 IGBTIGBT的基本特性的基本特性 1) 傳輸特性 2) 輸出特性 變頻器常用電力電子器2.6.3 2.6.3 IGBTIG

19、BT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1)集電極-發(fā)射極額定電壓UCES 2)柵極-發(fā)射極額定電壓UGES 3)額定集電極電流IC， 4)集電極-發(fā)射極飽和電壓UEC(sat) 5)開關(guān)頻率變頻器常用電力電子器2.6.4 2.6.4 IGBTIGBT的驅(qū)動電路的驅(qū)動電路 1) 驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。2) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電。3) 驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。4) 驅(qū)動電平+UGE的選擇必須綜合考慮。 5) 在關(guān)斷過程中，應(yīng)施加一負偏壓UGE。6) 在大電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短， 以確保IGBT的安全。 7) 驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。 變頻器常

20、用電力電子器2.7 集成門極換流晶閘管（IGCT） 2.7.1 IGCT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理與工作原理1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) a） b） 圖2-25GTO、GCT的結(jié)構(gòu)圖 圖2-26 IGCT的符號 a）GTO的結(jié)構(gòu)圖b） GCT的結(jié)構(gòu)圖變頻器常用電力電子器2. IGCT的工作原理 IGCT的導(dǎo)通原理與GTO完全一樣，但關(guān)斷原理與GTO完全不同，在GCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個PNP晶體管以后再關(guān)斷，所以它不受外加電壓變化率du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換，所以GTO需要很大的吸收電路來抑制外加電壓變化率du/dt。阻斷狀態(tài)

21、下GCT的等效電路可認為是一個基極開路、低增益PNP晶體管與門極電源的串聯(lián)電路。 變頻器常用電力電子器2.7.2 IGCT的特點 （1）緩沖層（2）透明陽極 （3）逆導(dǎo)技術(shù) （4）門極驅(qū)動技術(shù) 變頻器常用電力電子器2.8 智能功率模塊(1PM) 2.8.1 IPM的結(jié)構(gòu) IPM智能功率模塊內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖 變頻器常用電力電子器2.8.2 IPM的主要特點的主要特點 IPM 內(nèi)含驅(qū)動電路，可以按最佳的IGBT驅(qū)動條件進行設(shè)定；IPM內(nèi)含過流（OC）保護、短路（SC）保護，使檢測功耗小、靈敏、準(zhǔn)確；IPM內(nèi)含欠電壓（UV）保護，當(dāng)控制電源電壓小于規(guī)定值時進行保護；IPM內(nèi)含過熱（OH）保護，可以防止IGBT和續(xù)流二極管過熱，在IGBT內(nèi)部的絕緣基板上設(shè)有溫度檢測元件，結(jié)溫過高時即輸出報警（ALM）信號，該信號送給變頻器的單片機，使系統(tǒng)顯示故障信息并停止工作。IPM還內(nèi)含制動電路，用戶如有制動要求可另購選件，在外電路規(guī)定端子上接制動電阻，即可實現(xiàn)制動。變頻器常用電力電子器2.8.3 IPM選擇注意事項選擇注意事項 （1）采用光電耦合器 由于IPM驅(qū)動電路要求信號傳輸延遲時間不應(yīng)超過0.5s，因而器件只能采用快速光電耦合器，可選用邏輯門光電耦合器6N137。該