【文章內容簡介】 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。它具有自關斷能力、控制方便 、開關時間短、高頻特性好、價格低廉等優(yōu)點。 GTR經(jīng)歷了雙極單個晶體管、達林頓管和 GTR 模塊等發(fā)展階段。目前 GTR 的容量已達 400A/1200V、 1000A/400V,工作頻率可達 5kHz,因此被廣泛用于不停電電源、中頻電源和交流電機調速等電力變流裝置中。 在電力電子技術中 ,GTR主要工作在開關狀態(tài) ,我們希望它在電路中的表現(xiàn)接近于理想開關 ,即導通時的管壓降趨于零 ,截止時的電流趨于零 ,而且兩種狀態(tài)間的轉換過程要足夠快。給 GTR 的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動信號 ,它將工作于導通與截止的開關工作狀態(tài) ,在兩種狀態(tài)的轉 換過程中 GTR 快速地通過有源放大區(qū)。為了保證開關速度快、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要小以及開通與關斷時間要短。 GTR 和 GTO 都是雙極型電流驅動的器件，由于具有電導調制效應，所以其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力 MOSFET 是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小，而且驅動電路簡單。將這兩種器件相互取長補短適當結合而成的復合器件，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，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論，所以，在設計工作中選擇其作為斬波電路的功率開關元件。 10 第 3章 主電路的設計 概述 主電路的主要功能是把從電網(wǎng)引進來的三相 380V 交流電，經(jīng)過一系列的處理后，得到任務所要求達到的目的，即最后輸出的應該是脈沖形式的信號（電壓信號或電流信號）。在本次設計中，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換為直流電能的電路稱為整流電路。在生產(chǎn)實際中 ,如直流電動機的調速、同步電機的勵磁、電鍍、電焊等往往需要電壓可調的直流電源。利用晶閘管的可控單向導電性 ,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)整流電路的結構形式 ,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 ,整流輸出端所接負載的性質也對整流電路的輸出電壓和電流有很大的影響 ,常 見的負載有電阻性負載、電感性負載和反電勢負載幾種。 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 ,是目前主要的可控直流電源 ,得到了廣泛的應用。 三相可控整流電路 當負載容量較大時 ,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 ,影響其他用電設備的正常運行 ,因此必須采用三相可控整流電路。實際中 ,由于三相可控整流電路輸出電壓脈動小、脈動頻率高 ,網(wǎng)側功率因數(shù)高以及動態(tài)響應快 ,在中、大功率領域中獲得了廣泛的應用。 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。為了便于表達晶閘管的導通順序 ,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 大電感負載的三相全控橋式整流電路在α =0176。時 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 (α =0176。 )在ω tω tω t5 時刻 ,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 (α =0176。 )在ω tω tω t6 時 刻 ,分別觸發(fā) T T T6 晶閘管。為了分析方便 ,把交 流電源的一個周期由六個自然換流點劃分為六段 ,并假 設在 t=0 時電路已在工作 ,即 T T6 同時導通 ,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 刻觸發(fā) T1,則 T1 導 通 ,T5 因承受反壓而關斷。此時變成 T1 和 T6 同時導通 ,電流從 A 相流出 ,經(jīng) T負載、 T6 流回 B 相 ,負載上得到 A、 B 線電壓 uAB。在ω t2～ω t3 期間 ,C 相電壓變?yōu)樽钬?,A 相電壓仍保持最正 ,在ω t2 時刻觸發(fā) T2,則 T2 導通 ,T6 關斷。此時 T1 和 T2 同時 導通 ,負載上得到 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 ,ω t3 刻觸發(fā) T3,T3 導通 ,T1 關斷。此時 T2 和 T3 同時導通 ,負載上得到 B、 C 線電壓 uBC。依此類推 ,在ω t4～ω t5 期間 T3 和 T4 導通 ,負載上得到 uBA。在ω t5～ω t6 期間 ,T4 和 T5 導 通 ,負載上得到 uCA。在ω t6～ω t7 期間 ,T5 和 T6 導通 , 圖 32 工作原理 負載上得到 uCB。從ω t7 時刻起又重復上述過程。在 一個周期內負載上得到如圖 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線 ,其基波頻率為 300Hz,脈動較小。 12 當α 00時 ,輸出電壓波形發(fā)生變化 ,圖 33(a)、 (b)分別是α =30176。、 90176。時的波形。由圖中可見 ,當α≤ 60176。時 ,ud 波形均為正值 。當 60α 90176。時 ,由于電感的作用 ,ud 波形出現(xiàn)負值 ,但正面積大于負面積 ,平均電壓 Ud 仍為正值 。當α =90176。時 ,正負面積基本相等 ,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α =0 時 ,U d 為最大值 。當α =90176。時 ,Ud 為最小值。因此三相全控橋式整流電路帶大電感負載時的移相范圍為 0～ 90176。 負載電流平均值為 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進行 ,每隔 120176。換流一次 ,即在電流 連續(xù)的情況下 ,每個晶閘管的導通角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半周內均有電流流過 ,每半周期內流通角為 120176。 ,故流進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)對應的一個晶閘管 ,全控橋電路即可正常運行 ,ug 波形如圖 32(c)中實 線所示。但我們前面的分析是在整流橋已經(jīng)啟動 ,且電流連續(xù)的基礎上來進行的。在全控橋啟動或電流斷續(xù)之后需要再觸發(fā)導通的時候 ,由于全控橋的六個晶閘管全部處于關斷 ,要使負載中有電流流過 ,共陰極和共陽極組中須各有一個晶閘管同時導通 ,即必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖 ,才能實現(xiàn)全控橋的啟動。為此我們可以采取以下兩種方法。 一種是寬脈沖觸發(fā) ,使每一個觸發(fā)脈沖的寬度大于 60176。 (但應小 120176。 ,一般取 90176。左右 )。這樣 ,在相隔 60176。的后一個脈沖出現(xiàn)時 ,前一個脈沖尚未消失 ,使電路在任何一個換流點均有兩個晶閘管被 觸發(fā)。 另一種方法是在觸發(fā)某一編號晶閘管時 ,觸發(fā)電路設法同時給前一編號晶閘管補發(fā)一個脈沖 (稱輔助脈沖 )。例如觸發(fā) T2 時給 T1 發(fā)一個輔助脈沖 ,觸發(fā) T3 時又給 T2 補發(fā)一個輔 助脈沖 ,如圖 32(c)所示。這樣 ,就能保證每個換流點同時有兩個脈沖觸發(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)電路復雜 ,但可減小觸發(fā)電路功率 ,故采用較多。 斬波電路的設計 直流變換電路 能將直流電變成另一固定電壓或大小可調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 力電子開關器件周期性地開通與關斷來改變輸出電壓的大小 ,因此也稱為開關型 DC/DC 變換電路或稱斬波電路。直流變換技術被廣泛應用于可控直流開關穩(wěn)壓電源、焊接電源和直流電機的調速控制 ,它以體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點在工業(yè)、通信軍事等領域得到了廣泛的應用。 直流變換電路多以全控型電力電子器件 (如 GTO、 GTR、 VDMOS 和 IGBT 等 )作為開關器件 ,控制輸出電壓的大小。其開關頻率高 ,變換效率也高。近年來 ,功率器件以及各種控制技術的發(fā)展極大地促進了直流變換技術的發(fā)展。各類新型變換電路不斷出現(xiàn) ,為進一步提高直流變換 電路的動態(tài)性能 ,降低開關損耗 ,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制 (PWM)和脈沖頻率調制 (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 ,在直流開關穩(wěn)壓電源中直流變換電路常常采用變壓器實現(xiàn)電隔離 ,而在直流電機的調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,因為它的等效結構具有晶體管模式 ,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 1800A,最高電壓等級達 4500V,工作頻率達 50kHz。 IGBT 綜合了 MOS 和 GTR 的優(yōu)點 ,其導通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOS 的 1/10,開關時間是同容量 GTR 的 1/10。在電機控制、中頻電源、各種開關電源以及其他 高速低損耗的中小功率領域 ,IGBT 有取代 GTR和 VDMOS 的趨勢。 IGBT 的工作原理 IGBT 的結構如圖 34(a)所示。在 VDMOS 管結構的基礎上再增加一個 P+層就形成IGBT 結構。它相當于一個由 VDMOS 驅動的厚基區(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 ,它有三個電極 ,分別是集電極 C、發(fā)射極 E 和柵極 G。在應用電路中 IGBT 的 C 接電源正極 ,E 接電源負極 ,它的導通和關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 ,VDMOS 內形成導電溝道 ,為 PNP 型 GTR 提供基極電流 ,則 IGBT 導通。 此時 ,從 P+區(qū)注入到 N區(qū)的空穴 (少子 )對 N區(qū)進行導電調制 ,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 VDMOS 的導電溝道消失 ,GTR 的基流被切斷 ,則 IGBT 被關斷。 IGBT 的特性與參數(shù)特點 IGBT 伏安特性和轉移特性 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