【正文】 region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Draininjector），它是 IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)為了兼顧長(zhǎng)期以來(lái)人們的習(xí)慣，IEC 規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱為發(fā)射極端，漏極引出的電極端稱為集電極端。IGBT 。它在結(jié)構(gòu)上類似于 MOSFET，其不同點(diǎn)在于IGBT 是在N 溝道功率MOSFET 的基板（漏極）上增加了一個(gè)基板（IGBT 的集電極），形成 PN 結(jié) j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與 MOSFET 相似。 IGBT剖面結(jié)構(gòu)圖， IGBT 相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR 。圖中是厚基區(qū) GTR 的擴(kuò)展電阻。 IGBT 是以 GTR 為主導(dǎo)件、MOSFET 為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 IGBT等效簡(jiǎn)化電路N 溝道IGBT的圖形符號(hào)有兩種。CGGCE EN溝道 P溝道 IGBT圖形符號(hào)IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)， MOSFET 內(nèi)形成溝道，并為 PNP 晶體管提供基極電流，從而使 IGBT 導(dǎo)通，此時(shí)，從區(qū)注區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少區(qū)的電阻值，使高耐壓的 IGBT 也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負(fù)電壓時(shí)， MOSFET 內(nèi)的溝道消失， PNP 晶體管的基極電流被切斷，IGBT 即關(guān)斷。 正是由于 IGBT 是在N 溝道MOSFET 的基板上加一層基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由 PNP NPN 晶體管構(gòu)成 IGBT 。但是，NPN 晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使NPN不起作用。所以說(shuō)，IGBT 的基本工作與 NPN 晶體管無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為是將N溝道 MOSFET 作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達(dá)林頓管。采取這樣的結(jié)構(gòu)可在層作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。這是因?yàn)閺幕褰?jīng)過(guò)層向高電阻的層注入少量載流子的結(jié)果。IGBT的設(shè)計(jì)是通過(guò) PNPNPN 晶體管的連接形成晶閘管。IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET基本相同，只需控制輸入極溝道 MOSFET所以具有高輸入阻抗特性。 IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類：⑴靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。IGBT 的伏安特性是指以柵極、源極電壓為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵極、源極電壓的控制，越高，越大。它與GTR的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由 J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。 IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò) MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓可用下式表示 ＝＋＋ （）式中—— J1 結(jié)的正向電壓，其值為 ～ IV ； ——擴(kuò)展電阻上的壓降；——溝道電阻。通態(tài)電流可用下式表示： =(1+) （）式中——流過(guò) MOSFET 的電流。由于區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V 的IGBT通態(tài)壓降為2～3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。 ⑵動(dòng)態(tài)特性 IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。為開(kāi)通延遲時(shí)間，為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間即為和之和。漏源電壓的下降時(shí)間由和組成， 開(kāi)通時(shí)IGBT電流、電壓波形IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后， PNP 晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，為關(guān)斷延遲時(shí)間，為電壓的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間由圖中的和兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間 =++ （）式中，與之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。 關(guān)斷時(shí)IGBT的電流電壓波形 緩沖吸收回路的設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)功率變換電路中，功率開(kāi)關(guān)器件（如SCR、GTR、GTO、IGBT等）的開(kāi)通與關(guān)斷瞬時(shí)，將受到電、熱應(yīng)力的沖擊，往往危及功率器件甚至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。晶閘管類的緩沖電路與三極管類的緩沖電路（也稱吸收網(wǎng)絡(luò)）不同。前者主要是為了減小晶閘管關(guān)斷時(shí)的電壓上升率dv/dt，它是由晶閘管本身的能力決定的。對(duì)于功率變換電路所采用的功率開(kāi)關(guān)管IGBT，在關(guān)斷的時(shí)候，它的集電極電流下降率較高，尤其是在短路的情況下，如不采取措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到每微秒數(shù)千安培。極高的電流下降率將會(huì)在主回路的分布電感上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓，IGBT關(guān)斷時(shí)的電流電壓運(yùn)行軌跡將超出它的安全工作區(qū)，很容易導(dǎo)致它的損壞。而我們實(shí)驗(yàn)中的IGBT和電動(dòng)機(jī)的繞組直接相連，繞組的電感較大，所以在關(guān)斷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓。所以抑制本電路中IGBT關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓尤為重要。為了防止IGBT關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓，我們采用了關(guān)斷緩沖吸收電路。TD2CR60CE RCD緩沖吸收回路并聯(lián)的電容C將減少IGBT的關(guān)斷損耗，并改善其在反偏壓工作條件下關(guān)斷時(shí)的伏安特性；R為漏感儲(chǔ)能釋放電能；D則為抑制集電極尖峰電壓阻尼震蕩設(shè)置的。D在圖中的接法，可以避免IGBT開(kāi)通時(shí)電容突然放電，以減少開(kāi)通時(shí)的負(fù)擔(dān)。對(duì)于吸收回路中R、C、D的選擇也有要求，由于集電極尖峰電壓的產(chǎn)生是由相繞組的電感性質(zhì)引起的，因此，總的來(lái)說(shuō)，要求緩沖吸收回路的電子元件均應(yīng)是無(wú)感性質(zhì)的。RCD吸收網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇與IGBT的開(kāi)斷時(shí)間、關(guān)斷時(shí)承受的最大電壓、關(guān)斷時(shí)的相電流Iph、電容放電時(shí)間常數(shù)、斬波頻率均有關(guān)。如果IGBT導(dǎo)通太短，電容沒(méi)有充分放電，關(guān)斷過(guò)程中可能越出其安全工作范圍。因此，IGBT的最小導(dǎo)通時(shí)間必須大于電容的放電時(shí)間（設(shè)斬波頻率為f，IGBT最小導(dǎo)通時(shí)間按l/（2f）計(jì)算，則l/（2f）4RC。即：R＜1/sf C （）由于IGBT的關(guān)斷時(shí)間tf很小，而二極管承受電流沖擊的能力較強(qiáng)，所以以平均電流來(lái)選擇二極管，即有： （）轉(zhuǎn)速為1000r／m，IGBT的關(guān)斷時(shí)間為＝，以關(guān)斷時(shí)的工作電流10A，單相全波整流的直流電壓為198V，代入式子得到： （）將電容值代入，得到Pr=，那么R1/8fC2620歐姆增大R有利于抑制振蕩，但若R太大，又會(huì)影響電容抑制過(guò)電壓的效果，使正常工作時(shí)電阻損耗增大，因此，電阻R取值不能太大，現(xiàn)取60。將以上結(jié)果代入式（），得二極管平均電流為Ivd=13mA。經(jīng)過(guò)參考仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在每相下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷瞬間，其RCD 回路中流過(guò)二極管的電流可達(dá)40A，故現(xiàn)選取RCD緩沖電路元件參數(shù)如下：電阻值為60，功率為15W（無(wú)感線繞）；，耐壓1200V（吸收電容）；二極管平均電流14A，耐壓為600V（快速恢復(fù)二極管）。 以IGBT為主開(kāi)關(guān)器件的功率變換電路在整個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)的成本中，功率變換電路占有重要的比重，合理選擇和設(shè)計(jì)功率變換器是提高開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)的性能價(jià)格比的關(guān)鍵之一。同時(shí)還應(yīng)從與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)匹配、效率高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等基本要求出發(fā)，進(jìn)行全面的考慮。綜合比較以上幾種功率變換電路，通過(guò)分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本節(jié)介紹一種具有降低斬波頻率，減小斬波噪聲和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的三相雙開(kāi)關(guān)功率電路。單繞組、雙開(kāi)關(guān)變換電路中，每相繞組有兩個(gè)主開(kāi)關(guān)，兩個(gè)續(xù)流二極管，當(dāng)兩個(gè)主開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)通時(shí)，繞組接到直流電源上而形成回路，相電流產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個(gè)主開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，相電流經(jīng)過(guò)兩個(gè)續(xù)流二極管和電源電壓Vs續(xù)流，由于續(xù)流路徑加有反電壓Vs，故續(xù)流電流能很快結(jié)束，這一特點(diǎn)對(duì)于換相是很有利的，特別適合高速運(yùn)行的電機(jī)。而且兩個(gè)續(xù)流二極管可以加快續(xù)流過(guò)程，防止相繞組產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，此方案雖開(kāi)關(guān)/相數(shù)比為2，但開(kāi)關(guān)器件的電壓額定只是電源電壓，總的伏安定額并不比其它類型的功率變換電路高很多，因此開(kāi)關(guān)器件的成本只是略高于其它類型的功率變換電路方案，而但由于使用的主開(kāi)關(guān)元件多，相應(yīng)地增加了輔助電源及驅(qū)動(dòng)電路，成本相對(duì)較高。，采用單繞組、雙開(kāi)關(guān)電路。主回路整流側(cè)采用單相整流模塊，經(jīng)電容器濾波得到穩(wěn)定直流電壓源。逆變電路采用6個(gè)IGBT組成3個(gè)直流通道，并分別與電機(jī)3個(gè)定子繞組串聯(lián)。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）綜合了MSOFET控制極輸入阻抗高和GTR通態(tài)飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)，其工作頻率較高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，目前是中、小功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器較理想的主開(kāi)關(guān)元件。本課題選用IGBT做為系統(tǒng)的主開(kāi)關(guān)元件。對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的選擇應(yīng)遵循以下原則。（1） IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)，~5V的閥值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)柵極電荷聚集很敏感，要保證有一條低阻抗的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。（2） 用小內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。（3） 驅(qū)動(dòng)電平增大時(shí)，IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)流過(guò)的電流增大，IGBT能承受的短路電流時(shí)間減少，對(duì)其安全不利，一般選為+12到+15V。（4） 在關(guān)斷過(guò)程中，為盡快抽取存儲(chǔ)的電荷，須施加一個(gè)負(fù)偏壓，但此負(fù)壓受IGBT的G、D極間最大反向耐壓的限制，一般取2V到5V。（5） 大電感負(fù)載下，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不通過(guò)分段，以限制所形成的尖峰電壓，保護(hù)IGBT的安全。（6） 由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。（7） IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。 功率變換器主電路結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 功率變換器主電路，圖中虛線框外是改進(jìn)的不對(duì)稱半橋式功率電路，其中La、Lb、Lc分別是SRM的三相繞組；V1～V6為相開(kāi)關(guān)；D1～D6為各相繞組的續(xù)流二極管，與傳統(tǒng)不對(duì)稱半橋式功率電路的不同之處是每個(gè)相開(kāi)關(guān)功率器件分別并聯(lián)了一個(gè)電容器，即C1～，所以相開(kāi)關(guān)V1～V6在任何時(shí)刻關(guān)斷均為零電壓軟關(guān)斷。虛線框A、B內(nèi)部是由平波電容CdCd諧振電容Cr、諧振電感Lr、輔助開(kāi)關(guān)管VCVCVC3及二極管DCDCDC3構(gòu)成的準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)電路。其中虛線框A中電路應(yīng)用于軟開(kāi)關(guān)PWM逆變器中時(shí)，其電感Lr可與后續(xù)的DC/AC逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)、續(xù)流二極管及等效電容配合實(shí)現(xiàn)諧振，從而形成諧振槽。但SRD功率電路從結(jié)構(gòu)到運(yùn)行原理都與變頻調(diào)速系統(tǒng)中DC/AC逆變電路存在很大差異，不能直接和虛線框A中的電路配合完成諧振，因此增加了虛線框B中的諧振電容Cr、輔助開(kāi)關(guān)VC3及二極管DC3，以協(xié)助諧振順利完成。與現(xiàn)有的SRD開(kāi)關(guān)功率電路相比，本電路具有以下特點(diǎn)：本電路中的諧振電感Lr不在直流母線上串聯(lián)，電源的能源無(wú)需經(jīng)Lr向SRM供出，Lr僅作為諧振過(guò)零時(shí)的儲(chǔ)能元件，故其本身的損耗??；本電路方案中的開(kāi)關(guān)功率器件在任何時(shí)候關(guān)斷均屬零電壓關(guān)斷，只需控制準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)為相開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)通提供諧振槽即可，不僅化簡(jiǎn)了控制，同時(shí)也提高了母線電壓的利用率。 工作原理依據(jù)準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)在DC/AC逆變器中運(yùn)行機(jī)理的數(shù)學(xué)解析，結(jié)合SRD功率變換器的軟開(kāi)關(guān)原理進(jìn)行分析。由于平波電容CdCd2容量很大且相等，可近似認(rèn)為其連接處電位保持Ed2不變；相開(kāi)關(guān)所并電容C1~C6的容量極小，忽略其對(duì)相電流的影響。設(shè)SRM運(yùn)行于雙管斬波的PWM控制模式，即給每相的上、下兩管同時(shí)施加PWM調(diào)制信號(hào)。以a相繞組為例，設(shè)VV2由同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)控制，并設(shè)所有功率開(kāi)關(guān)器件及二極管均為理想元件。， 準(zhǔn)諧振波形其中，SVC1，SVC2，SVC3和Spha分別為VCVCVC3及相開(kāi)關(guān)VV2的觸發(fā)信號(hào)；iLr為諧振電感電流；UCr為諧振電容兩端電壓也即母線電壓。因相開(kāi)關(guān)在任何時(shí)刻關(guān)斷均為零電壓軟關(guān)斷，下面分5個(gè)階段分析如何實(shí)現(xiàn)相開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)通及個(gè)輔助開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)工作原理。 電感正向儲(chǔ)能期（t1～t2）設(shè)t1時(shí)刻以前相開(kāi)關(guān)V1,V2以關(guān)斷，相繞組續(xù)流La續(xù)流路徑：電源Ed負(fù)極→D2→La1端→La2端→D2→DC1→Ed正極，此時(shí)UCr=Ed,如上圖所示。在t1時(shí)刻觸發(fā)VC2導(dǎo)通，因電感電流不能突變，Ed2電壓全部加于電感Lr上，：一路經(jīng)DC1到Ed正極，另一路經(jīng)VC2，Lr到下臂大電容Cd2，如上圖（b）所示。因Lr承受恒定電壓Ed2，故電流iLr從零開(kāi)始線性增加給Lr儲(chǔ)能，直到t2時(shí)刻達(dá)預(yù)設(shè)值I1，電感Lr中積蓄了足夠的能量。因iLr增大的同時(shí)相繞組電流ia卻在逐漸減小，故Lr儲(chǔ)能過(guò)程有兩種情況：①I1≤ia，即在iLr未升至ia時(shí)就已達(dá)