【正文】 的設(shè)計(jì)是通過 PNPNP 晶體管的連接形成晶閘管。采取這樣的結(jié)構(gòu)可在 N層作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。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。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。 圖 32 IGBT的簡化等效電路 6 （ a） （ b） 圖 33 NIGBT的圖形符號 圖 34 PIGBT的圖形符號 IGBT 的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 常使用圖 34b所示的符號。 IGBT 是以 GTR 為主導(dǎo)件、 MOSFET 為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。從圖中可見，有一個(gè)區(qū)域是由 NPN 組成的，這可以看成 MOSFET 的源極和柵極之間的部分，另一個(gè)區(qū)域是 PNP 結(jié)構(gòu)。由圖 31 可見， IGBT 與 MOSFET 上 半部分基本是相同的，因此和 MOSFET 一樣，凡是電子從發(fā)射極流出的成為 N 溝道型，而空穴從發(fā)射極流出的成為 P 溝道型。在詳細(xì)分析該整流器工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種參數(shù)設(shè)計(jì)方案 。為此提出了一種近正弦輸入三相整流器（ RNSIC），它在傳統(tǒng)不控整流橋的交流側(cè)每相各串聯(lián)一個(gè)電感，在每個(gè)整流二極管上各并聯(lián)一個(gè)電容，以便在該相二極管關(guān)斷期間為電流提供通道，使得輸入電流連續(xù)，進(jìn)而提高功率因數(shù)。 抑制電力電子裝置諧波的主要方法是功率因數(shù)校正（ PFC），對此又分為有源功率因數(shù)校正 （ APFC）和無源功率因數(shù)校正（ PPFC）。在電力電子裝置中，由電容濾波、二極管構(gòu)成的三相不控整流電路所占應(yīng)用比例越來越高。它所帶來的效益己在科研、軍事、國民經(jīng)濟(jì)中得到廣泛的證實(shí)。 在高頻下，變壓器的重量、體積可以幾十倍地縮小，再在高頻下整流，濾波器大為減輕，紋波也大幅度的 減小了。一般說來，電氣設(shè)備的體積和重量隨著供電頻率的平方根成反比地減小，現(xiàn)代電力電子技術(shù)能把頻率升到 20KHZ 以上，這就邁過了音頻 (6 到 12KHZ)和超聲頻 (12 到 16KHZ)波段，消除了運(yùn)行中的噪聲和給操作人員帶來的煩惱。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展和逆變技術(shù)的推廣使用，以及新型高頻鐵磁材料的發(fā)展，人們正在提高這個(gè)工作頻率的范圍，供電頻率的提高，意味著體積、重量的減小 。 高頻電力電子技術(shù)的理論基礎(chǔ) 許多國家把 50HZ 或 60HZ 規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率，這是根據(jù)發(fā)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度來確定的。調(diào)壓調(diào)頻作為逆變器的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有了較大發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)國家，已形成了較完整的電力變頻產(chǎn)業(yè)體系。逆變電源一般分為兩種 :一種為恒壓恒頻電路，用于 UPS 及特種用途等電源裝置 。驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是微電子器件，是面向電子控制的一端 。 逆變電源是由電力電子器件、變流電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路三部分組成。這些新型電路的主要作用是使直流逆變成各種頻率的交流。各種高頻化全控型器件的不斷問世和迅猛發(fā)展使得電力電子變流電路及其控制系統(tǒng)不斷革新。所有這些表明，對于需要高中壓大電流密度并且開關(guān)頻率在 20 至 50KHZ 的應(yīng)用領(lǐng)域來說， IGBT 是一種很好的選用器件。即高電壓、大電流、開關(guān)速度快，電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，可采用低成本的集成驅(qū)動(dòng)電路控制，具有安全工作區(qū)寬，較高的耐短路電流的能力，是一種理想的新型電力電子器件。絕緣柵雙集型晶體管 IGBT 便是在 GTR和 MOSFET 之間取其長，避其短而出現(xiàn)的新器件。MOSFET 器件開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，但器件功率等級低，導(dǎo)通壓降大，限制了逆變器的容量。 作為在國際上已取得廣泛應(yīng)用電力電子器件的前期產(chǎn)品 GTO、 GTR、 MOSFET正向著產(chǎn)品多樣化，結(jié)構(gòu)模塊化、復(fù)合化，特性參數(shù)高電壓、大電流等特點(diǎn)發(fā)展，適用于大容量設(shè)備，但由于其電流增益太低，所需驅(qū)動(dòng)功率也較大，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，應(yīng)用受到一定局限。到 90年代電力電子器件發(fā)展的主要標(biāo)準(zhǔn)則是高性能，即大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗。可以說， 70 年代評價(jià)電力電子器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量，即電流 *電壓。其控制電路的設(shè)計(jì)是本課題的核心，皆在保證此高頻逆變電源在滿足條件下，安全可靠地工作。 一般情況下 ,在工作過程中需要操作工人適時(shí)調(diào)整逆變角 ， 這不但增加了操作的復(fù)雜性 ,效果也不很理想 。 對于小型工件的表面熱處理或超小型小工件的加工和焊接 ,則要求功率更加集中、輸出頻率更高 ， 但是頻率提高受到器件自身開關(guān)速度和技術(shù)工藝的限制 ， 提高感應(yīng)加熱的功率和頻率 ， 一直是感應(yīng)加熱領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與難點(diǎn) 。 1 前言 感應(yīng)加熱具有加熱速度快、熱效率高、適用于局部加熱、產(chǎn)品質(zhì)量好、無環(huán)境污染、易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn) ， 其功率密度在被加熱工件內(nèi)的分布可方便地通過頻率的選擇和感應(yīng)圈的合理設(shè)計(jì)而得到 。 目前 ,感應(yīng)加熱技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬熔煉、鑄造、焊接、熱處理、熱鍛造等熱加工工藝 。 目前 ,頻率高于數(shù)百千赫茲、功率大于數(shù)千瓦的感應(yīng)加 熱電源 ， 多采用真空電子管去實(shí)現(xiàn) ， 而電子管不僅體積龐大、使用壽命短 ,而且轉(zhuǎn)換效率低 。 本課題是在當(dāng)今高頻電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展的條件下提出的， 致力于高頻逆變電源的設(shè)計(jì)，主要采用新型電力電子器件 IGBT， 其驅(qū)動(dòng)電路及 SPWM 發(fā)生電路也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 2 1 緒論 1． 1 高頻電力電子器件的發(fā)展 七十年代以來，飛速發(fā)展的 集成電路微細(xì)加工技術(shù)被引入到電力半導(dǎo)體器件制造中來，使之同高電壓，大電流的設(shè)計(jì)制造技術(shù)相結(jié)合，跨入了功率集成的層次，從而使以晶閘管應(yīng)用為代表的低頻電力電子技術(shù)發(fā)展到高頻電力電子技術(shù)，成為舉世矚目的一種節(jié)能省材的高技術(shù)。 80 年代電力電子器件發(fā)展的主要目標(biāo)是高頻化，評價(jià)器件的標(biāo)準(zhǔn)是功率 *頻率。因此，評價(jià)器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。 GTR 器件已模塊化，在中小容量裝置中得到推廣，但其驅(qū)動(dòng)功率也較大，開關(guān)速度慢，影響了逆變器的工作頻率與輸出波形 。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的功率電子元件。它實(shí)際上是用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)雙集型晶體管，兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。由于 IGBT 的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。 電力電子技術(shù)是一門利用電力電 子器件對電能控制、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膶W(xué)科，它由電力電子器件、交流電路和控制電路三部分組成，它涉及電力、電子、控制三大電氣工程領(lǐng)域，又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。如，各種脈寬調(diào)制 (PWM)電路、零電壓零電流開關(guān)諧振電路以及高頻斬波電路等已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分。電力電子技術(shù)已由當(dāng)年的 整流時(shí)代進(jìn)入逆變時(shí) 3 代。電力電子器件是逆變電源的功率器件，是面向負(fù)載的一端 。而變流電路則是把兩者結(jié)合在一起進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的部分。另一種為調(diào)壓調(diào)頻電路，用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。目前，逆變電源正朝向小型化、低噪聲、多功能、智能化、多用途和高可靠性發(fā)展。對于一切傳統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)換電氣設(shè)備來說，如電動(dòng)機(jī)、電抗器、變壓器等，都要根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。 電磁感應(yīng)原理 指出， 對于確定的磁性材料，磁通密度 Bm 一選定的，與磁性材料性能相關(guān)的常數(shù)，當(dāng)電壓 V 取為常數(shù)時(shí)，可見 WS之積同供電頻率 f成反比，當(dāng)頻 率 f 升高，將帶來 WS的減小， W 減小意味著體積的減小， S減小意味著鐵心重量減小。按20KHZ 設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備，其體積、重量只有 50HZ 同容量設(shè)備的二十分之一，這就是高頻電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很高效益的理論來源?？傊?，采用電力電子新技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率變頻，使電氣產(chǎn)品小型化、節(jié)能化、智能化。 2 整流電路 整流電路簡介 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)深入到電力、冶金、化工、通訊以及家電等各個(gè)領(lǐng)域。然而，這種整流電路由于其輸入電流諧波會(huì)對 4 電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，因而引起人們越來越廣泛的關(guān)注。 PPFC 以其成本低、結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在工程中，傳統(tǒng)的 PPFC 多采用 LC 濾波器形式，但濾波效果較差。繼而又提出一種在 RNSIC 基礎(chǔ)上減去每相下橋臂的并聯(lián)電容，基于 LC 諧振電路的三相整流器，通過交流側(cè)電感與二極管并聯(lián)電容諧振使得輸入電流近似正弦，同時(shí)通過 直流側(cè)電感與電容構(gòu)成的濾波器可大大降低諧波含量，高功率因數(shù)。 電路 (a)三相整流器電路 （ b）工作波形 圖 11整流電路 5 3 IGBT 的特性及應(yīng)用要求 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能 基本結(jié)構(gòu) 絕緣柵雙極 性 晶體管本質(zhì)上是一個(gè)場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P+型層 ，從而多了一個(gè)大面積的 P+N 結(jié) J1,這樣整個(gè)單胞成了 4層結(jié)構(gòu)并且存在 J J J3 三個(gè) PN 結(jié)。 目前多數(shù) IGBT 為 N溝道型。 圖 3— 1 IGB丁結(jié)構(gòu)剖面圖 由圖 31 可以看出， IGBT 相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) GTR，其簡化等效電路如圖 32 所示 。N溝道 IGBT 的圖形符號有兩種，如圖 3— 3所示。對于 P溝道，圖形符號中的箭頭方向恰好相反，如圖 34所示。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 。正是由于 IGBT 是在 N溝道 MOSFET 的 N+基板上加一層 P+基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由 PNPNPN 晶體管構(gòu)成 IGBT。所以說， IGBT 的基本工作與 NPN 晶體管無關(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。這是因?yàn)閺?P+基板經(jīng)過 N+層向高電阻的 N層注入少量載流子的結(jié)果。 IGBT 的結(jié)構(gòu)特性 從 IGBT 的結(jié)構(gòu)圖可以看出，正向?qū)〞r(shí)，正偏置的 PN 結(jié)向基區(qū)注入空穴，產(chǎn)生基區(qū)電壓調(diào)制效應(yīng)，因此 IGBT 的通態(tài)壓降低。開通時(shí)間一般為 ∽ ，關(guān)斷時(shí)間 ∽ 4ｕｓ ,工作頻率可達(dá) 4OKHz。 IGBT 導(dǎo)通時(shí)其 UGE的大小能反映過流情況，故可用檢測柵射 7 電壓與集射電壓的方法來識別過流信號。由此可見， IGBT 具有場效應(yīng)管的輸入特性，既所需觸發(fā)功率小 ； 同時(shí)具有雙極 性 晶體管的輸出特性，即控制電流的能力強(qiáng)，作為大功率開關(guān)元件，它集合了場效應(yīng)管和雙極晶體管的雙重優(yōu)點(diǎn)。 （ 2） 具有輸入阻抗高、易于驅(qū)動(dòng)、安全工作