第2讲-变频器原理及应用

1、变频器原理与应用（第2版）第2章1第第2讲讲变频器原理与应用（第2版）第2章2总结总结变频器变频器变频器的控制变频器的控制对象对象电力电子电力电子器件器件是变频器发展的是变频器发展的基础基础计算机技术和控制理论是变频器发展的计算机技术和控制理论是变频器发展的支柱支柱市场需求是变频器发展的市场需求是变频器发展的动力动力变频器的发展变频器的发展趋势趋势变频器的变频器的分类分类变频器的变频器的应用应用变频器原理与应用（第2版）第2章3 电力电子电力电子器件器件是电力电子技术的物质是电力电子技术的物质基础基础和和技术关键，也是变频技术技术发展的技术关键，也是变频技术技术发展的“龙头龙头”。 可以说，电

2、力电子技术可以说，电力电子技术起步起步于于晶闸管晶闸管，普及普及于电力晶于电力晶体管体管GTRGTR，提高提高于于IGBTIGBT。新型电力电子器件的涌现与发展，。新型电力电子器件的涌现与发展，促进了电力电子电路的结构、控制方式、装置性能的提高。促进了电力电子电路的结构、控制方式、装置性能的提高。本章从应用的角度出发，对电力电子器件的种类、性能及本章从应用的角度出发，对电力电子器件的种类、性能及应用等加以应用等加以介绍介绍。第二章第二章 变频器常用电力电子器件变频器常用电力电子器件变频器原理与应用（第2版）第2章4n 功率二极管（功率二极管（D D）n 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）n 门极可

3、关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO）n 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）n 功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（P-MOSFETP-MOSFET）n 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT） ）n 集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCTIGCT）n 智能功率模块智能功率模块(1(1PM)PM)本章要点本章要点第二章第二章 变频器常用电力电子器件变频器常用电力电子器件变频器原理与应用（第2版）第2章5 1 1、结构：、结构： 功率二极管的内部是功率二极管的内部是P-NP-N或或P-I-NP-I-N结构结构 ，图示为功，图示为功率二极管的电路率二极管的电路符号

4、符号和外形。和外形。 2 2、符号：、符号： a) b) c) 图2-1 功率二极管的符号和外形 a) 功率二极管的符号 b) 螺旋式二极管的外形 c) 平板式二极管的外形 2.1 2.1 功率二极管（功率二极管（D D） 2.1.12.1.1率二极管功结构与率二极管功结构与V-AV-A特性特性变频器原理与应用（第2版）第2章6 3 3、 伏安特性伏安特性 功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。 正向特性：正向特性：当从零逐渐增大正向电压时，开始

5、阳极电流很小，当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，当正向电压大于当正向电压大于0.50.5V V时，正向时，正向阳极电流阳极电流急剧上升，管子急剧上升，管子正向导通正向导通。 反向特性：反向特性：当二极管加上反向电压当二极管加上反向电压 时，起始段的反向时，起始段的反向漏电流漏电流也很小，而且也很小，而且 随着反向电压增加，反向漏电流只略有随着反向电压增加，反向漏电流只略有 增大，但当反向电压增加到反向不重复增大，但当反向电压增加到反向不重复 峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增 加。加。 变频器原理与应用（第2版）第2章7 2.1.2 2.1.2 功率

6、二极管的主要参数功率二极管的主要参数1. 1. 额定正向平均电流额定正向平均电流I IF F 在规定的环境温度和标准散热条件下，元件所允许长时间连续流过在规定的环境温度和标准散热条件下，元件所允许长时间连续流过5050HzHz正弦半波的电流平均值。正弦半波的电流平均值。 2. 2. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值不重复峰值电压值U URSMRSM的的80%80%称为反向重复峰值电压称为反向重复峰值电压U URRMRRM。 3. 3. 正向平均电压正向平均电压U UF F （管压降）（管

7、压降） 在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过5050HzHz正弦半波额定正正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值, ,通常为通常为0.45-1V0.45-1V。 变频器原理与应用（第2版）第2章8 2.1.3 2.1.3 功率二极管的选用功率二极管的选用 1. 1. 选择额定选择额定正向平均电流正向平均电流I IF F 的原则的原则 I IDnDn = 1.57 = 1.57 I IF F =(1.5 =(1.52)2) I IDM DM 2. 2. 选择选择额定电压额定电压U UR

8、RMRRM 的原则的原则 U URRMRRM = =（2 23 3）U UDMDM 57. 1)25 . 1 (DMFII变频器原理与应用（第2版）第2章9 2.1.2.1.4 4 功率二极管的分类功率二极管的分类 功率二极管一般分为功率二极管一般分为三类三类：(1)(1)标准标准或慢速恢复二极管；（工频整流）或慢速恢复二极管；（工频整流）(2)(2)快速快速恢复恢复二极管；（中、高频电路）二极管；（中、高频电路）(3)(3)肖特基肖特基二极管。（高频电路）二极管。（高频电路）变频器原理与应用（第2版）第2章10 2.2 2.2 晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 2.2.1 2.2.1 晶闸管的

9、结构晶闸管的结构 1 1、结构：、结构：晶闸管是四层（晶闸管是四层（P P1 1N N1 1P P2 2N N2 2）三端（三端（A A、K K、G G）器件，器件，其内部结构和等效电路如图所示。其内部结构和等效电路如图所示。 a) b) c)a) b) c) 图图2-3 2-3 晶闸管的内部结构及等效电路晶闸管的内部结构及等效电路 a) a) 芯片内部结构芯片内部结构 b) b) 以三个以三个PNPN结等效结等效 c) c) 以互补三极管等效以互补三极管等效变频器原理与应用（第2版）第2章112 2、晶闸管的外形及符号、晶闸管的外形及符号 a) b) c)a) b) c) 图图2-4 2-4

10、 晶闸管的外形及符号晶闸管的外形及符号 a) a) 晶闸管的晶闸管的符号符号 b b）螺栓式螺栓式外形外形 b b）带有散热器带有散热器平板式平板式外形外形A A 阳极阳极 KK阴极阴极 GG门极门极 变频器原理与应用（第2版）第2章12 2.2.2 2.2.2 晶闸管的导通和关断控制晶闸管的导通和关断控制 晶闸管的晶闸管的导通控制导通控制： 在晶闸管的在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压阳极和阴极间加正向电压，同时在它的，同时在它的门极门极和阴极间和阴极间也加正向电压形成也加正向电压形成触发电流触发电流，即可使晶闸管导通。，即可使晶闸管导通。导通的晶闸管的导通的晶闸管的关断控制关断控制： 令门极

11、电流为令门极电流为零零，且将阳极电流降低到一个称为维持电，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值流的临界极限值以下以下。 变频器原理与应用（第2版）第2章13 2.2.3 2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为称为阳极伏安特性。阳极伏安特性。 图图2-5 2-5 晶闸管的晶闸管的阳极伏安特性阳极伏安特性 变频器原理与应用（第2版）第2章14 2.2.4 2.2.4 晶闸管的参数（晶闸管的参数（P12P12） 1. 1. 正向正向断态重复峰值电压断态重复峰值电压DRMDRM

12、 2. 2. 反向反向重复峰值电压重复峰值电压RRMRRM 3. 3. 通态平均电压通态平均电压T(AV)T(AV) 4. 4. 晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流T(T(v)v) 5. 5. 维持电流维持电流H H 6. 6. 擎住电流擎住电流L L 变频器原理与应用（第2版）第2章152.2.5 2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数晶闸管的门极伏安特性及主要参数 1. 1. 门极伏安特性门极伏安特性 门极门极伏安特性是指伏安特性是指门极门极电压与电流的关系，晶闸管的电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个门极和阴极之间只有一个PNPN结结，所以电压与电流的关系和，所以电压与电流

13、的关系和普通二极管普通二极管的的伏安特性伏安特性相似相似。门极伏安特性曲线如图。门极伏安特性曲线如图2-62-6所示。所示。 图2-6变频器原理与应用（第2版）第2章16 2. 2. 门极主要参数门极主要参数 （13） （1 1）门极）门极不触发不触发电压电压GDGD和门极和门极不触发不触发电流电流GDGD （2 2）门极）门极触发触发电压电压GTGT和门极和门极触发触发电流电流GTGT （3 3）门极）门极正向峰值正向峰值电压电压GMGM、 门极门极正向峰值正向峰值电流电流GMGM和门极和门极峰值峰值功率功率GMGM 变频器原理与应用（第2版）第2章17 2.2.6 2.2.6 晶闸管触发电

14、路晶闸管触发电路1.1.晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 触发脉冲应具有足够的触发脉冲应具有足够的功率功率和一定的和一定的宽度宽度； 触发脉冲与主电路电源电压触发脉冲与主电路电源电压必须同步必须同步； 触发脉冲的触发脉冲的移相范围移相范围应满足变流装置提出的要求。应满足变流装置提出的要求。2. 2. 触发电路的分类触发电路的分类 依控制方式可分为依控制方式可分为相控式相控式、斩控式斩控式触发电路；触发电路； 依控制信号性质可分为依控制信号性质可分为模拟式模拟式、数字式数字式触发电路；触发电路； 依同步电压形成可分为依同步电压形成可分为正弦波正弦波同步、同步、锯齿波锯齿波同步触发电路

15、同步触发电路等。等。 变频器原理与应用（第2版）第2章18 2.2.7 2.2.7 晶闸管的保护晶闸管的保护 1. 1.晶闸管的晶闸管的过电流过电流保护保护 1) 1) 快速快速熔断器熔断器保护保护 ( (见下图）见下图） 2 2）过电流）过电流继电器继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧。直流侧。 3 3）限流与脉冲移相限流与脉冲移相保护。保护。变频器原理与应用（第2版）第2章19 工作原理：当主电路工作原理：当主电路过电过电流流时，电流反馈信号电压时，电流反馈信号电压U Ufifi增增大，稳压管大，稳压管VSVS被被击穿击穿，晶体管，晶体管V V导

16、通导通，直流快速灵敏继电器，直流快速灵敏继电器KAKA得电并自锁，并断开了电源接得电并自锁，并断开了电源接触器触器KM KM 吸引线圈电压，使吸引线圈电压，使KMKM失失电切断主电路交流电源，以达电切断主电路交流电源，以达到过电流保护的目的。过电流到过电流保护的目的。过电流故障排除后故障排除后，想要恢复供电，想要恢复供电，先按下复位按钮先按下复位按钮SBSB，KAKA失电，失电，其其KAKA常闭触点闭合，按下主电常闭触点闭合，按下主电路起动按钮路起动按钮SBSB2 2，KM KM 得电接通得电接通主电路交流电源，恢复正常供主电路交流电源，恢复正常供电。调节电位器电。调节电位器RPRP，可以很方

17、，可以很方便地调节过电流跳闸便地调节过电流跳闸动作电流动作电流的大小。的大小。 2 2）过电流继电器过电流继电器保护保护主电路主电路变频器原理与应用（第2版）第2章203 3）限流与脉冲移相保护）限流与脉冲移相保护 工作原理：与电子工作原理：与电子过电流跳闸电路相似，过电流跳闸电路相似，当主电路出现当主电路出现过电流过电流时，时，电流反馈信号电压电流反馈信号电压U Ufifi增增大，稳压管大，稳压管V V1 1被击穿，被击穿，V V2 2晶体管注入基极电流，晶体管注入基极电流，使晶体管使晶体管V V2 2输出电压输出电压U U0 0降降低，于是触发电路的触低，于是触发电路的触发脉冲迅速右移发脉

18、冲迅速右移( (即移相即移相角角增大增大) )，使主电路输，使主电路输出整流电压迅速减小，出整流电压迅速减小，负载电流也迅速减小，负载电流也迅速减小，达到限流目的。达到限流目的。 主电路主电路变频器原理与应用（第2版）第2章212. 2. 晶闸管晶闸管过电压过电压保护保护 晶闸管过电晶闸管过电压产生的原因主要压产生的原因主要有：有：关断过电压关断过电压、操作操作过电压和过电压和浪涌浪涌过电压过电压等。等。对过电对过电压的保护方式主要压的保护方式主要是接入阻容吸收电是接入阻容吸收电路、硒堆或压敏电路、硒堆或压敏电阻等。阻等。图图2-82-8为交为交流侧接入阻容吸收流侧接入阻容吸收电路的几种方法。

19、电路的几种方法。硒堆或压敏电阻的硒堆或压敏电阻的联结方法与此相联结方法与此相同。同。变频器原理与应用（第2版）第2章22交流侧接入阻容吸收电路的几种方法交流侧接入阻容吸收电路的几种方法 图图2-82-8 变频器原理与应用（第2版）第2章23由于发生雷击或从电网侵入的高电压干扰而造成的晶闸管过电压，称为浪涌过电压。由于发生雷击或从电网侵入的高电压干扰而造成的晶闸管过电压，称为浪涌过电压。 硒堆元件保护：硒堆元件保护：交流侧浪涌过电压交流侧浪涌过电压变频器原理与应用（第2版）第2章24 门极关断晶闸管门极关断晶闸管GTOGTO（gate turn off thyristorgate turn of

20、f thyristor）。）。它与普通晶闸管相比，属它与普通晶闸管相比，属“全控型器件全控型器件”或或“自关断器件自关断器件”，既可控制器件的既可控制器件的开通开通，又可控制器件的，又可控制器件的关断关断。因此，使用。因此，使用GTOGTO的装置与使用普通型晶闸管的装置相比，的装置与使用普通型晶闸管的装置相比，具有主电路器件少，结构简单；装置小巧；无噪声；装置效率具有主电路器件少，结构简单；装置小巧；无噪声；装置效率高；易实现脉宽调制，可改善输出波形等优点。高；易实现脉宽调制，可改善输出波形等优点。 2.3 2.3 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO） 变频器原理与应用（第2版）

21、第2章25 GTOGTO的结构也是四层三端器件的结构也是四层三端器件 a) a) b) b) 图图2-9 2-9 GTOGTO的结构与符号的结构与符号 a) GTOa) GTO的结构剖面的结构剖面 b) b) 图形符号图形符号 2.3.1 GTO的结构的结构与原理与原理变频器原理与应用（第2版）第2章262.2.1 2.2.1 门极关断晶闸管的特性及参数门极关断晶闸管的特性及参数1 1GTOGTO的特性的特性 下图为下图为GTOGTO的工作电路简图。的工作电路简图。A A、K K和和G G分别为分别为GTOGTO的的阳极阳极、阴极阴极和门极，和门极，E EA A和和R RK K分别为分别为工作

22、电压工作电压和和负载电阻负载电阻；E EG1G1和和R RG1G1分别为分别为正向触发电压正向触发电压和限流电和限流电阻；阻；E EG2G2和和R RG2G2分别为反向分别为反向关断电压关断电压和限流电阻。当和限流电阻。当S S置于置于“1 1”时，时，GTOGTO导导通通，阴极电流，阴极电流I IK KI IA A十十I IG G。当。当S S置于置于“2 2”时，时，GTOGTO关断关断。变频器原理与应用（第2版）第2章272. 2. GTOGTO的主要参数的主要参数 1. 1. 最大可最大可关断阳极电流关断阳极电流TOTO 通常将最大可关断阳极电流通常将最大可关断阳极电流TOTO作为作为

23、GTOGTO的的额定电流额定电流。2. 2. 关断增益关断增益offoff 关断增益关断增益offoff为最大可为最大可关断阳极电流关断阳极电流ATOATO与与门极负电流门极负电流最大值最大值GMGM之比，其表达式为之比，其表达式为 off off ATOATO/GMGM offoff比晶体管的电流放大系数比晶体管的电流放大系数小得多，小得多，其值愈大，说其值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强明门极电流对阳极电流的控制能力愈强一般只有一般只有左右左右。 变频器原理与应用（第2版）第2章28 2.3.3 2.3.3 GTOGTO的门极控制的门极控制 晶闸管晶闸管GTO桥式桥式门极驱动电路

24、门极驱动电路 1.开通开通控制控制： 当当V1与与V2饱和导通时，形成门极饱和导通时，形成门极正向触发电流正向触发电流，使，使 GTO导通；导通；2.断开断开控制：控制： 当触发当触发VT1、VT2这两只普通晶闸管导通时，形成较这两只普通晶闸管导通时，形成较 大的门极反向电流，使大的门极反向电流，使GTO关断。关断。变频器原理与应用（第2版）第2章29 2.3.4 GTO的缓冲电路的缓冲电路 图图2-13 2-13 GTOGTO斩波器及其保护电路斩波器及其保护电路 图中图中R R、L L为负载，为负载，VDVD为续流二极管，为续流二极管， L LA A是是GTOGTO导通瞬间限制导通瞬间限制d

25、 di id dt t的电感。的电感。R Rs sC Cs s和和VDVDs s组成了缓冲电路。组成了缓冲电路。 GTOGTO的阳极电路串联一定数值的电的阳极电路串联一定数值的电感感L L来限制来限制d di id dt t 。变频器原理与应用（第2版）第2章30 2.4 2.4 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR） 2.4.1 2.4.1 GTRGTR的结构的结构 工作状态：工作状态：GTR作为开关器件作为开关器件图图2-14 2-14 GTR GTR 摸块摸块a) GTRa) GTR的结构示意图的结构示意图 b)GTRb)GTR摸块的外形摸块的外形c) GTRc) GTR摸块的等效电路摸

26、块的等效电路变频器原理与应用（第2版）第2章31 2.4.2 2.4.2 GTRGTR的参数的参数 (1) (1) 反向击穿电压反向击穿电压U UCEOCEO：既基极开路既基极开路CECE间能承受的电压。间能承受的电压。 (2) (2) 最大电流额定值最大电流额定值I ICMCM ： (3) (3) 最大功耗额定值最大功耗额定值P PCMCM晶体管功耗的大小主要由集电结工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升温，晶体管会因温度过高而烧坏。（4 4）开通时间）开通时间t tonon：包括延迟时间包括延迟时间t td d和上升时间和上升时间t tr r。（5 5）关断时间关断时间o

27、ffoff：包括存储时间包括存储时间s s和下降时间和下降时间f f 。 变频器原理与应用（第2版）第2章322.4.3 二次击穿现象二次击穿现象 当集电极电压当集电极电压UCE逐渐逐渐增加增加，到达某一数值时，如上述，到达某一数值时，如上述UCEO，IC剧增加，出现剧增加，出现击穿现象击穿现象。首先出现的击穿现象称为。首先出现的击穿现象称为一次击穿一次击穿，这种击穿是这种击穿是正常的雪崩击穿正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接。这一击穿可用外接串联电阻串联电阻的办法的办法加以加以控制控制，只要适当限制晶体管的电流，只要适当限制晶体管的电流(或功耗或功耗)，流过结的反向电，流过结的反向电流不会太大

28、，进入击穿区的流不会太大，进入击穿区的时间不长时间不长，一次击穿具有，一次击穿具有可逆性可逆性，一，一般不会引起晶体管的般不会引起晶体管的特性变坏特性变坏。 但是，一次击穿出现后若但是，一次击穿出现后若继续增大偏压继续增大偏压UCE，而外接限流电，而外接限流电阻又不变，反向电流阻又不变，反向电流IC将继续将继续增大增大，此时若，此时若GTR仍在工作，仍在工作，GTR的工作状态将迅速出现大电流，并在极的工作状态将迅速出现大电流，并在极短的时间短的时间内，使器件内出内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长电流急剧增长，此现象便称为，此现象便称为二次二次击穿击穿

29、。一旦发生二次击穿，轻者使。一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、电压降低、特性变差特性变差，重，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏永久性损坏。变频器原理与应用（第2版）第2章332.4.2.4.4 GTR4 GTR的驱动电路的驱动电路 抗饱和恒流驱动电路抗饱和恒流驱动电路 图图2-16 2-16 抗饱和恒流驱动电路抗饱和恒流驱动电路抗饱和抗饱和二极管二极管变频器原理与应用（第2版）第2章342.4.5 GTR的缓冲电路的缓冲电路 缓冲电路也称为缓冲电路也称为吸收电路吸收电路，它是指在，它是指在GTR电极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感电

30、极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感及二极管组成，如图及二极管组成，如图2-17所示为缓冲电路之一。所示为缓冲电路之一。 图图2-17 GTR的缓冲电路的缓冲电路变频器原理与应用（第2版）第2章352.5 2.5 功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（P-MOSFETP-MOSFET） 2.5.1 功率场效应管的结构功率场效应管的结构 a) b) a) b) 图图2-18 2-18 P-MOSFETP-MOSFET的结构与符号的结构与符号 a) P-MOSFET a) P-MOSFET的结构的结构 b) P-MOSFETb) P-MOSFET符号符号 变频器原理与应用（第2版）第2章362.5

31、.2 P-MOSFET的工作原理的工作原理 当漏极（当漏极（D D）接电源）接电源正极正极，源极（，源极（S S）接电源）接电源负极负极，栅，栅（G G）源之间电压为零或为）源之间电压为零或为负负时，型区和时，型区和- -型漂移区之间型漂移区之间的结反向，漏源之间的结反向，漏源之间无电流流过无电流流过。 如果在栅极和源极如果在栅极和源极加加正向正向电压电压UGS，不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场不会有栅流。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面型区中的少数载流子的感应作用却会将其下面型区中的少数载流子电子电子吸引到吸引到栅极下面的型区表面。栅极下面的型区表面。当当UGS大于大于某一

32、电压某一电压值值UT时，栅极时，栅极下面型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使型半导体下面型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使型半导体反型成型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流反型成型半导体，沟通了漏极和源极，形成漏极电流ID。电压电压U UT T称为开启电压，称为开启电压，UGS超过超过UT越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。漏漏极电流极电流I ID D越大。越大。变频器原理与应用（第2版）第2章37 2.5.3 P-MOSFET的特性的特性 . . 转移特性转移特性 输出特性输出特性 栅源电压与漏极电流栅源电压与漏极电流 漏源电压与漏极电流漏源电压与漏极电流 可调电阻可调电阻雪崩区雪

33、崩区饱和区饱和区变频器原理与应用（第2版）第2章38 . . 开关特性开关特性 栅极脉冲栅极脉冲变频器原理与应用（第2版）第2章392.5.4 P-MOSFETP-MOSFET的主要参数的主要参数 （P23）1. 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS 2. 漏极连续电流漏极连续电流ID和漏极峰值电流和漏极峰值电流IDM 3. 栅源击穿电压栅源击穿电压BUGS 4. 开启电压开启电压UT 5. 极间电容极间电容 变频器原理与应用（第2版）第2章402.5.5 -的栅极驱动的栅极驱动 1 1）触发脉冲触发脉冲的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要高于器件的开启电压，以

34、保证高于器件的开启电压，以保证- -的可靠触发导的可靠触发导通。通。 2 2）开通开通时以低电阻对栅极电容时以低电阻对栅极电容充电充电，关断关断时为栅极电时为栅极电容提供低电阻容提供低电阻放电放电回路，减小栅极电容的充放电时间常数，回路，减小栅极电容的充放电时间常数，提高提高- -的的开关速度开关速度。 3 3）- -开关时开关时所需的所需的驱动电流驱动电流为栅极电容为栅极电容的的充放电流充放电流。- -的的极间电容极间电容越大，所需的驱动越大，所需的驱动电流也电流也越大越大。为了使开关波形具有足够的上升和下降陡度，。为了使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流驱动电流要具有要具有较大较大

35、的数值。的数值。变频器原理与应用（第2版）第2章412.5.6 2.5.6 P-P-的保护的保护 1. 工作保护工作保护 栅源栅源过电压过电压的保护的保护 漏源漏源过电压过电压的保护的保护 过电流过电流保护保护 2. 静电保护静电保护 器件应器件应存放存放在在抗静电抗静电包装袋、金属容器或导电材料包装袋包装袋、金属容器或导电材料包装袋中，工作人员取用器件时，必须使用中，工作人员取用器件时，必须使用腕带良好接地腕带良好接地，且应拿，且应拿器件管壳，不要拿引线；器件管壳，不要拿引线； 安装安装时，工作台和电烙铁应良好时，工作台和电烙铁应良好接地接地； 测试测试时，测量仪器和工作台要良好时，测量仪器

36、和工作台要良好接地接地，器件的三个电极，器件的三个电极必须都接入测试仪器或电路，才能施加电压。改换测试时，必须都接入测试仪器或电路，才能施加电压。改换测试时，电压和电流要先恢复电压和电流要先恢复到零到零。变频器原理与应用（第2版）第2章422.6 2.6 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT） 2.6.1 2.6.1 IGBTIGBT的结构的结构 a) b) c) d) a) b) c) d) 图图2-242-24IGBTIGBT结构示意图、电路符号和等效电路结构示意图、电路符号和等效电路a) IGBTa) IGBT模块模块 b)IGBTb)IGBT结构示意图结构示意图c)c)

37、电路符号电路符号d)d)等效电路等效电路变频器原理与应用（第2版）第2章432.6.2 2.6.2 IGBTIGBT的基本特性的基本特性 1) 1) 传输特性传输特性 2) 输出特性输出特性 变频器原理与应用（第2版）第2章442.6.3 2.6.3 IGBTIGBT的主要参数（的主要参数（P26P26） 1)1)集电极集电极- -发射极额定电压发射极额定电压U UCESCES 2)2)栅极栅极- -发射极额定电压发射极额定电压U UGESGES 3)3)额定集电极电流额定集电极电流I IC C， 4)4)集电极集电极- -发射极饱和电压发射极饱和电压U UEC(sat)EC(sat) 5)5

38、)开关频率开关频率变频器原理与应用（第2版）第2章452.6.4 2.6.4 IGBTIGBT的驱动电路的驱动电路 1) 1) 驱动电路与驱动电路与IGBTIGBT的连线要尽量短。的连线要尽量短。2) 2) 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电。用内阻小的驱动源对栅极电容充放电。3) 3) 驱动电路要能传递几十驱动电路要能传递几十kHzkHz的脉冲信号。的脉冲信号。4) 4) 驱动电平驱动电平+U UGEGE的选择必须综合考虑。的选择必须综合考虑。 5) 5) 在关断过程中，应施加一负偏压在关断过程中，应施加一负偏压U UGEGE。6) 6) 在大电感负载下，在大电感负载下，IGBTIGBT的开关

39、时间不能太短，的开关时间不能太短， 以确保以确保IGBTIGBT的安全。的安全。 7) 7) 驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 变频器原理与应用（第2版）第2章46本本 章章 小小 结结 功率二极管功率二极管的结构是一个的结构是一个PN结，加正向电压导通，加反结，加正向电压导通，加反向电压截止，是不可控的单向导通器件。向电压截止，是不可控的单向导通器件。 普通晶闸管（普通晶闸管（SCR）是双极型电流控制器件。当对晶闸管是双极型电流控制器件。当对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端

40、也加适当正向电压时，晶闸管导通。但导通后门极失去端也加适当正向电压时，晶闸管导通。但导通后门极失去控制作用，不能用门极控制晶闸管关断，所以它是半控器控制作用，不能用门极控制晶闸管关断，所以它是半控器件。件。 GTO即可关断晶闸管即可关断晶闸管，它的导通控制与，它的导通控制与SCR一样，但门一样，但门极加负电压可使极加负电压可使GTO关断，是全控器件。关断，是全控器件。 GTR是双极型全控器件是双极型全控器件，工作原理与普通中小功率晶，工作原理与普通中小功率晶体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它体管相似，但主要工作在开关状态，不用于信号放大，它承受的电压和电流数值大。承受的电压和电

41、流数值大。变频器原理与应用（第2版）第2章47本本 章章 小小 结结 功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（P-MOSFET）是单极型全控器件，是单极型全控器件，属于电压控制，驱动功率小。属于电压控制，驱动功率小。 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）是复合型全控器件，具有输是复合型全控器件，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想功率器件。电流大等优点，是功率开关电源和逆变器的理想功率器件。 IGCT是将门极驱动电路与门极换流晶闸管是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一

42、集成于一个整体形成的，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常个整体形成的，是较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于适合用于6kV和和10kV的中压开关电路。的中压开关电路。 智能功率模块（智能功率模块（IPM）是将高速度、低功耗的是将高速度、低功耗的IGBT，与与栅极驱动器和保护电路一体化，栅极驱动器和保护电路一体化，IPM具有智能化、多功能、具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特点。高可靠、速度快、功耗小等特点。 变频器原理与应用（第2版）第2章48第三章第三章 交交-直直-交变频技术交变频技术 交交- -直直- -交交变频器变频器的主电路框图如图的主电路框图如图3-13-1所示。

43、主电所示。主电路包括三个组成部分：路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电整流电路、中间电路和逆变电路路。 图3-1 交-直-交变频器的主电路框图变频器原理与应用（第2版）第2章493.1 整流电路整流电路 3.1.1 3.1.1 不可控整流电路不可控整流电路 不可控整流电路使用的元件为不可控整流电路使用的元件为功率二极管功率二极管，不可控整流，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为电路按输入交流电源的相数不同分为单相单相整流电路、整流电路、三相三相整整流电路和流电路和多相多相整流电路。整流电路。 三相桥式整流电路如图三相桥式整流电路如图3-23-2所示。所示。 图3-2 三相桥式整

44、流电路 变频器原理与应用（第2版）第2章50三相不可控三相不可控整流电路整流电路分析分析 1.1.组成：组成：三相桥式整流电路共有六只整三相桥式整流电路共有六只整 流二极管，其中流二极管，其中VDVD1 1、VDVD3 3、VDVD5 5三只三只 管子的阴极连接在一起，称为管子的阴极连接在一起，称为共阴共阴 极组极组；VDVD4 4、VDVD6 6、VDVD2 2三只管子的阳三只管子的阳 极连接在一起，称为极连接在一起，称为共阳极组共阳极组2.2.原理：原理：共阴极组三只二极管共阴极组三只二极管VDVD1 1、VDVD3 3、 VDVD5 5在在t t1 1、t t3 3、t t5 5换流导通

45、；共阳极换流导通；共阳极 组三只二极管组三只二极管VDVD2 2、VDVD4 4、VDVD6 6在在t t2 2、 t t4 4、t t6 6换流导通。一个周期内，每换流导通。一个周期内，每 只二极管导通只二极管导通1 13 3周期，即导通角周期，即导通角 为为120120。通过计算可得到负载电阻。通过计算可得到负载电阻 R RL L上的上的平均电压平均电压为为 U Uo o = 2.34 = 2.34U U2 2 (3-1) (3-1) 图3-3 三相桥式电路的电压波形 变频器原理与应用（第2版）第2章513.1.2 3.1.2 可控整流电路可控整流电路三相桥式全控整流电路，如图三相桥式全控

46、整流电路，如图3-43-4所示。所示。 图图3-4 3-4 三相桥式可控整流电路三相桥式可控整流电路 变频器原理与应用（第2版）第2章52可控整流电路工作原理可控整流电路工作原理 三相交流电源电压三相交流电源电压u uR R、u uS S、u uT T正半正半 波的自然换相点为波的自然换相点为1 1、3 3、5 5，负半波的，负半波的 自然换相点为自然换相点为2 2、4 4、6 6。 当当 0 0时，让时，让触发电路触发电路先后向各先后向各 自所控制的自所控制的6 6只晶闸管的只晶闸管的门极门极( (对应自然对应自然 换相点换相点) )送出触发脉冲，即在三相电源送出触发脉冲，即在三相电源 电压

47、正半波的电压正半波的1 1、3 3、5 5点向共阴极组晶闸点向共阴极组晶闸 管管VTVT1 1、VTVT3 3、VTVT5 5 输出触发脉冲；在三相输出触发脉冲；在三相 电源电压负半波的电源电压负半波的2 2、4 4、6 6点向阳极组晶点向阳极组晶 闸管闸管VTVT2 2、VTVT4 4、VTVT6 6 输出触发脉冲，负载输出触发脉冲，负载 上所得到的整流输出电压上所得到的整流输出电压u ud d波形如图波形如图3-5b3-5b 所示的由三相电源线电压所示的由三相电源线电压u uRSRS、u uRTRT、u uSTST、 u uSRSR、u uTRTR和和u uRSRS的正半波所组成的的正半波

48、所组成的包络线包络线 。 图3-5b 三相桥式全控电路电压波形 变频器原理与应用（第2版）第2章53可控整流电路控制可控整流电路控制原则原则 1) 1) 三相全控桥整流电路任一时刻必须有三相全控桥整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时两只晶闸管同时导通导通，才能形成负载电流，其中一只在，才能形成负载电流，其中一只在共阳极共阳极组，另一只组，另一只在在共阴极共阴极组。组。 2) 2) 整流输出电压整流输出电压u ud d波形是由电源波形是由电源线电压线电压u uRSRS、u uRTRT、u uSTST、u uSRSR、u uTRTR和和u uRSRS的轮流输出所组成的。晶闸管的的轮流输出所组成的。

49、晶闸管的导通顺序导通顺序为：为：（VTVT6 6和和VTVT1 1）（VTVT1 1和和VTVT2 2）（VTVT2 2和和VTVT3 3）（VTVT3 3和和VTVT4 4）（VTVT4 4和和VTVT5 5）（VTVT5 5和和VTVT6 6）。）。 3) 3) 六只晶闸管中每管六只晶闸管中每管导通导通120120，每间隔，每间隔6060有一只晶有一只晶闸管换流。闸管换流。 4 4）触发方式：可采用）触发方式：可采用单宽脉冲触发单宽脉冲触发，也可采用，也可采用双窄脉双窄脉冲触发冲触发。 变频器原理与应用（第2版）第2章54 不同控制角时输出电压波形不同控制角时输出电压波形 6060时的电压

50、波形时的电压波形 图图3-6 3-6 6060时的电压波形时的电压波形 三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路所带负载为三相桥式可控整流电路所带负载为电感性电感性时，时，输出电压平均值输出电压平均值可用下式计算可用下式计算 U Ud d=2.34=2.34U U2 2coscos (3-2)(3-2)变频器原理与应用（第2版）第2章553.2 3.2 中间电路中间电路 变频器的中间电路有变频器的中间电路有滤波电路滤波电路和和制动电路制动电路等不同的形式。等不同的形式。 3.2.13.2.1滤波电路滤波电路 虽然利用整流电路可以从电网的交

51、流电源得到直流电压虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6 6倍倍的的纹波，纹波，则则逆变逆变后的交流电压、电流也产生后的交流电压、电流也产生纹波纹波。因此，。因此，必须对整流电路的输出进行必须对整流电路的输出进行滤波滤波，以减少电压或电流的波，以减少电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。动。这种电路称为滤波电路。变频器原理与应用（第2版）第2章561. 1. 电容滤波电容滤波 通常用大容量通常用大容量电容电容对整流电路输出电压进行对整流电路输出电压进行滤波滤波。由于电容量比。由于电容量

52、比较大，一般采用较大，一般采用电解电容电解电容。 二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流充电电流( (亦称亦称浪涌电流浪涌电流) )，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图，有可能烧坏二极管，必须采取相应措施。图3-73-7给出几种给出几种抑制浪涌电流抑制浪涌电流的方式。的方式。 a)a)接入交流电抗接入交流电抗 b)b)接入直流电抗接入直流电抗 c)c)串联充电电阻串联充电电阻 图图3-7 3-7 抑制浪涌电流抑制浪涌电流的方式的方式变频器原理与应用（第2版）第2章57 采用大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受采用

53、大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为为电压型变频器电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图。电压型变频器的电路框图如图3-83-8所示。所示。电压型变频电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图正弦波，如图3-9所示。所示。 图3-8 电压型变频器的电路框图 图3-9 电压型变频器的电压和电流波形 变频器原理与应用（第2版）第2章582. 2. 电感滤波电

54、感滤波 采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于采用大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器电流型变频器。图。图3-10所示为电流型变频器的电路框图。图所示为电流型变频器的电路框图。图3-11所示为电流型变频器输出电所示为电流型变频器输出电压及电流波形。压及电流波形。 图3-10 电流型变频器的电路框图 图3-11 电流型变频器输出电压及电流波形 变频器原理与应用（第2版）第2章593. 3. 制动电路制动电路 利用设置在利用设