【文章內(nèi)容簡介】 電力晶體管 (Giant Transistor)簡稱 GTR,是一種雙極型大功率高反壓晶體管。它具有自關(guān)斷能力、控制方便 、開關(guān)時(shí)間短、高頻特性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 GTR經(jīng)歷了雙極單個(gè)晶體管、達(dá)林頓管和 GTR 模塊等發(fā)展階段。目前 GTR 的容量已達(dá) 400A/1200V、 1000A/400V,工作頻率可達(dá) 5kHz,因此被廣泛用于不停電電源、中頻電源和交流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。 在電力電子技術(shù)中 ,GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài) ,我們希望它在電路中的表現(xiàn)接近于理想開關(guān) ,即導(dǎo)通時(shí)的管壓降趨于零 ,截止時(shí)的電流趨于零 ,而且兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程要足夠快。給 GTR 的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動(dòng)信號 ,它將工作于導(dǎo)通與截止的開關(guān)工作狀態(tài) ,在兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn) 換過程中 GTR 快速地通過有源放大區(qū)。為了保證開關(guān)速度快、損耗 9 小 ,要求 GTR飽和壓降 UCES小 ,電流增益β值要大 ,穿透電流 ICEO要小以及開通與關(guān)斷時(shí)間要短。 GTR 和 GTO 都是雙極型電流驅(qū)動(dòng)的器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力 MOSFET 是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小，而且驅(qū)動(dòng)電路簡單。將這兩種器件相互取長補(bǔ)短適當(dāng)結(jié)合而成的復(fù)合器件，通常稱為 BiMOS 器件。絕緣柵雙極晶體管 IGBT 綜合了 GTR 和 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 通過以上的比較分析，可以得出 IGBT 的性能要更為良好的結(jié)論，所以，在設(shè)計(jì)工作中選擇其作為斬波電路的功率開關(guān)元件。 10 第 3章 主電路的設(shè)計(jì) 概述 主電路的主要功能是把從電網(wǎng)引進(jìn)來的三相 380V 交流電，經(jīng)過一系列的處理后，得到任務(wù)所要求達(dá)到的目的，即最后輸出的應(yīng)該是脈沖形式的信號（電壓信號或電流信號）。在本次設(shè)計(jì)中，主電路部分主要是由三相橋式全控整流電路、阻容濾波電路和降壓斬波電路組成。 晶閘管可控整流電路 能夠直接將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路稱為整流電路。在生產(chǎn)實(shí)際中 ,如直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、同步電機(jī)的勵(lì)磁、電鍍、電焊等往往需要電壓可調(diào)的直流電源。利用晶閘管的可控單向?qū)щ娦?,就可以很方便地組成可控整流裝置 ,把交流電能變成大小可調(diào)的直流電能。 晶閘管可控整流電路的電路類型很多 ,按照交流電源的相數(shù) ,可分為單相、三相和多相整流電路 。根據(jù)整流電路的結(jié)構(gòu)形式 ,又可分為半波、全波和橋式 (含全控橋式和半控橋式 )等類型。另外 ,整流輸出端所接負(fù)載的性質(zhì)也對整流電路的輸出電壓和電流有很大的影響 ,常 見的負(fù)載有電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和反電勢負(fù)載幾種。 晶閘管可控整流裝置具有體積小、效率高、容量大、控制方便等優(yōu)點(diǎn) ,是目前主要的可控直流電源 ,得到了廣泛的應(yīng)用。 三相可控整流電路 當(dāng)負(fù)載容量較大時(shí) ,若采用單相可控整流電路 ,將造成電網(wǎng)三相電壓的不平衡 ,影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行 ,因此必須采用三相可控整流電路。實(shí)際中 ,由于三相可控整流電路輸出電壓脈動(dòng)小、脈動(dòng)頻率高 ,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ,在中、大功率領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。 三相全控橋式整流電路 三相全控橋式整流電路是由一組共陰 極接法的三相半波可控整流電路和一組共陽極接法的三相半波可控整流電路串聯(lián)起來組成的 ,如圖 31 所示。為了便于表達(dá)晶閘管的導(dǎo)通順序 ,把共陰極組的晶閘管依次編號為 T T T5,而把共陽極組的晶閘管依次編號為T T T2。整流變壓器的原邊和二次側(cè)分別接成三角形接法和星形接法，為的目的是得到零線，并且使防止三次諧波流入電網(wǎng)。為節(jié)省篇幅 ,本節(jié)只介紹全控橋電路帶大電感負(fù)載的情況。 11 C2C6R6G1 G3 G5G4 G6 G2K1 K3 K5K4 K6 K22 / D92 / E92 / E92 / F92 / F92 / G92 / G92 / H92 / H92 / I92 / I92 / J9 圖 31 三相橋式整流電路 1. 工作原理 圖 32(b)～ (e)為帶 大電感負(fù)載的三相全控橋式整流電路在α =0176。時(shí) 電流電壓波形。由三相半波電路的分析可知 ,共陰極組的自然換流點(diǎn) (α =0176。 )在ω tω tω t5 時(shí)刻 ,分別觸發(fā) T T T5 晶閘管 ,同理可知 共陽極組的自然換流點(diǎn) (α =0176。 )在ω tω tω t6 時(shí) 刻 ,分別觸發(fā) T T T6 晶閘管。為了分析方便 ,把交 流電源的一個(gè)周期由六個(gè)自然換流點(diǎn)劃分為六段 ,并假 設(shè)在 t=0 時(shí)電路已在工作 ,即 T T6 同時(shí)導(dǎo)通 ,電流波 形已經(jīng)形成。 在ω t1～ω t2 期間 ,A 相電壓為正最大值 ,在ω t1 時(shí) 刻觸發(fā) T1,則 T1 導(dǎo) 通 ,T5 因承受反壓而關(guān)斷。此時(shí)變成 T1 和 T6 同時(shí)導(dǎo)通 ,電流從 A 相流出 ,經(jīng) T負(fù)載、 T6 流回 B 相 ,負(fù)載上得到 A、 B 線電壓 uAB。在ω t2～ω t3 期間 ,C 相電壓變?yōu)樽钬?fù) ,A 相電壓仍保持最正 ,在ω t2 時(shí)刻觸發(fā) T2,則 T2 導(dǎo)通 ,T6 關(guān)斷。此時(shí) T1 和 T2 同時(shí) 導(dǎo)通 ,負(fù)載上得到 A、 C 線電壓 uAC。在ω t3～ω t4 期 間 ,B 相電壓變?yōu)樽钫?,C 相保持最負(fù) ,ω t3 刻觸發(fā) T3,T3 導(dǎo)通 ,T1 關(guān)斷。此時(shí) T2 和 T3 同時(shí)導(dǎo)通 ,負(fù)載上得到 B、 C 線電壓 uBC。依此類推 ,在ω t4～ω t5 期間 T3 和 T4 導(dǎo)通 ,負(fù)載上得到 uBA。在ω t5～ω t6 期間 ,T4 和 T5 導(dǎo) 通 ,負(fù)載上得到 uCA。在ω t6～ω t7 期間 ,T5 和 T6 導(dǎo)通 , 圖 32 工作原理 負(fù)載上得到 uCB。從ω t7 時(shí)刻起又重復(fù)上述過程。在 一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載上得到如圖 32(d)所示的整流輸出電壓波形 ,它是線電壓波形正半部分的包絡(luò)線 ,其基波頻率為 300Hz,脈動(dòng)較小。 12 當(dāng)α 00時(shí) ,輸出電壓波形發(fā)生變化 ,圖 33(a)、 (b)分別是α =30176。、 90176。時(shí)的波形。由圖中可見 ,當(dāng)α≤ 60176。時(shí) ,ud 波形均為正值 。當(dāng) 60α 90176。時(shí) ,由于電感的作用 ,ud 波形出現(xiàn)負(fù)值 ,但正面積大于負(fù)面積 ,平均電壓 Ud 仍為正值 。當(dāng)α =90176。時(shí) ,正負(fù)面積基本相等 ,Ud≈0。 通過上面的分析可知 ,整流輸出電壓的平均值為 ( )23d231 6 si n3Uaa td tUpp wwp+F+= 242。 236 cosU ap F= CO SU aF= ( )0 90a＃ 由上式可知 ,當(dāng)α =0 時(shí) ,U d 為最大值 。當(dāng)α =90176。時(shí) ,Ud 為最小值。因此三相全控橋式整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)的移相范圍為 0～ 90176。 負(fù)載電流平均值為 22 . 3 4 c o sddddU UI RR aF== 三相全控橋式整流電路中 ,晶閘管換流只在本組內(nèi)進(jìn)行 ,每隔 120176。換流一次 ,即在電流 連續(xù)的情況下 ,每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角θ T=120176。因此流過晶閘管的電流平均值和有效值分別為 123120360Td T d d dI I I Ipq= = = 1 0 .5 7 723TT d d dI I I Ipq= = = 整流變壓器次級正負(fù)半周內(nèi)均有電流流過 ,每半周期內(nèi)流通角為 120176。 ,故流進(jìn)變壓器次級的電流有效值為 ? ? ? ? ? ?25 22332 01122d d t d tdI I I?? ??????? ??? 2 163 Id Id== 。 圖 33 帶大電感的三相橋式整流電路 13 晶閘管承受的最大電壓為26UF 2. 對觸發(fā)脈沖的要求 從上述工作原理的分析可見 ,在如圖 31 中給各晶閘管編號之后 ,則觸發(fā)脈沖只需按編號的數(shù)字順序每間隔 60176。觸發(fā)對應(yīng)的一個(gè)晶閘管 ,全控橋電路即可正常運(yùn)行 ,ug 波形如圖 32(c)中實(shí) 線所示。但我們前面的分析是在整流橋已經(jīng)啟動(dòng) ,且電流連續(xù)的基礎(chǔ)上來進(jìn)行的。在全控橋啟動(dòng)或電流斷續(xù)之后需要再觸發(fā)導(dǎo)通的時(shí)候 ,由于全控橋的六個(gè)晶閘管全部處于關(guān)斷 ,要使負(fù)載中有電流流過 ,共陰極和共陽極組中須各有一個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通 ,即必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖 ,才能實(shí)現(xiàn)全控橋的啟動(dòng)。為此我們可以采取以下兩種方法。 一種是寬脈沖觸發(fā) ,使每一個(gè)觸發(fā)脈沖的寬度大于 60176。 (但應(yīng)小 120176。 ,一般取 90176。左右 )。這樣 ,在相隔 60176。的后一個(gè)脈沖出現(xiàn)時(shí) ,前一個(gè)脈沖尚未消失 ,使電路在任何一個(gè)換流點(diǎn)均有兩個(gè)晶閘管被 觸發(fā)。 另一種方法是在觸發(fā)某一編號晶閘管時(shí) ,觸發(fā)電路設(shè)法同時(shí)給前一編號晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖 (稱輔助脈沖 )。例如觸發(fā) T2 時(shí)給 T1 發(fā)一個(gè)輔助脈沖 ,觸發(fā) T3 時(shí)又給 T2 補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔 助脈沖 ,如圖 32(c)所示。這樣 ,就能保證每個(gè)換流點(diǎn)同時(shí)有兩個(gè)脈沖觸發(fā)相鄰的晶閘管 ,其作用與寬脈沖一樣 ,這種方式稱為雙窄脈沖觸發(fā)。雙窄脈沖雖然觸發(fā)電路復(fù)雜 ,但可減小觸發(fā)電路功率 ,故采用較多。 斬波電路的設(shè)計(jì) 直流變換電路 能將直流電變成另一固定電壓或大小可調(diào)的直流電壓的變換電路稱為直流變換電路。它的基本原理是利用電 力電子開關(guān)器件周期性地開通與關(guān)斷來改變輸出電壓的大小 ,因此也稱為開關(guān)型 DC/DC 變換電路或稱斬波電路。直流變換技術(shù)被廣泛應(yīng)用于可控直流開關(guān)穩(wěn)壓電源、焊接電源和直流電機(jī)的調(diào)速控制 ,它以體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、通信軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 直流變換電路多以全控型電力電子器件 (如 GTO、 GTR、 VDMOS 和 IGBT 等 )作為開關(guān)器件 ,控制輸出電壓的大小。其開關(guān)頻率高 ,變換效率也高。近年來 ,功率器件以及各種控制技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了直流變換技術(shù)的發(fā)展。各類新型變換電路不斷出現(xiàn) ,為進(jìn)一步提高直流變換 電路的動(dòng)態(tài)性能 ,降低開關(guān)損耗 ,減小電磁干擾開辟了有效的新途徑。 直流變換電路按照穩(wěn)壓控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)和脈沖頻率調(diào)制 (PFM)直流變換電路。按變換器的功能分類有降壓變換電路 (Buck)、升壓變換電路 (Boost)、升降壓變換電路 (BuckBoost)、庫克變換電路 (Cuk)和全橋直流變換電路。必須注意的是 ,在直流開關(guān)穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實(shí)現(xiàn)電隔離 ,而在直流電機(jī)的調(diào)速裝置中可不用變壓器隔離 ,本章只討論無隔離的 DC/DC 變換電路。 14 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 絕緣柵雙極型晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor)簡稱 IGBT,因?yàn)樗牡刃ЫY(jié)構(gòu)具有晶體管模式 ,所以稱為絕緣柵雙極型晶體管。 IGBT 于 1982 年開始研制 ,1986 年投產(chǎn) ,是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前 IGBT 產(chǎn)品已系列化 ,最大電流容量達(dá) 1800A,最高電壓等級達(dá) 4500V,工作頻率達(dá) 50kHz。 IGBT 綜合了 MOS 和 GTR 的優(yōu)點(diǎn) ,其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOS 的 1/10,開關(guān)時(shí)間是同容量 GTR 的 1/10。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其他 高速低損耗的中小功率領(lǐng)域 ,IGBT 有取代 GTR和 VDMOS 的趨勢。 IGBT 的工作原理 IGBT 的結(jié)構(gòu)如圖 34(a)所示。在 VDMOS 管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè) P+層就形成IGBT 結(jié)構(gòu)。它相當(dāng)于一個(gè)由 VDMOS 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) PNP 型 GTR,圖 34(b)是它的簡化等效電路。 IGBT 的電氣符號如圖 35 所示 ,它有三個(gè)電極 ,分別是集電極 C、發(fā)射極 E 和柵極 G。在應(yīng)用電路中 IGBT 的 C 接電源正極 ,E 接電源負(fù)極 ,它的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來控制。 圖 34 IGBT 的工作原理 IGBT 的柵極加上正電壓時(shí) ,VDMOS 內(nèi)形成導(dǎo)電溝道 ,為 PNP 型 GTR 提供基極電流 ,則 IGBT 導(dǎo)通。 此時(shí) ,從 P+區(qū)注入到 N區(qū)的空穴 (少子 )對 N區(qū)進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制 ,減小了 N區(qū)的電阻 ,因此 IGBT 的通態(tài)壓降低 。在柵極上加反向電壓時(shí) VDMOS 的導(dǎo)電溝道消失 ,GTR 的基流被切斷 ,則 IGBT 被關(guān)斷。 IGBT 的特性與參數(shù)特點(diǎn) IGBT 伏安特性和轉(zhuǎn)移特性 IGBT 的伏安特性 (又稱靜態(tài)輸出特性 ),它反映在一定的柵極 發(fā)射極電壓