2022年自动化专业英语课文翻译 .pdf

一电路电路或电网络由以某种方式连接的电阻器、电感器和电容器等元件组成。如果网络不包含能源，如电池或发电机，那么就被称作无源网络。换句话说， 如果存在一个或多个能源，那么组合的结果为有源网络。 在研究电网络的特性时，我们感兴趣的是确定电路中的电压和电流。因为网络由无源电路元件组成，所以必须首先定义这些元件的电特性。就电阻来说，电压-电流的关系由欧姆定律给出，欧姆定律指出：电阻两端的电压等于电阻上流过的电流乘以电阻值。在数学上表达为：u = iR (1-1A-1) 式中u=电压，伏特； i =电流，安培； R = 电阻，欧姆。纯电感电压由法拉第定律定义，法拉第定律指出：电感两端的电压正比于流过电感的电流随时间的变化率。因此可得到：式中di/dt = 电流变化率，安培 /秒；L = 感应系数，享利。电容两端建立的电压正比于电容两极板上积累的电荷q 。因为电荷的积累可表示为电荷增量dq 的和或积分，因此得到的等式为：式中电容量C 是与电压和电荷相关的比例常数。由定义可知，电流等于电荷随时间的变化率，可表示为i = dq/dt。因此电荷增量dq 等于电流乘以相应的时间增量，或 dq = i dt， 那么等式(1-1A -3) 可写为式中C = 电容量，法拉。归纳式(1-1A-1) 、 (1-1A-2) 和 (1-1A-4) 描述的三种无源电路元件如图 1-1A-1 所示。注意， 图中电流的参考方向为惯用的参考方向，因此流过每一个元件的电流与电压降的方向一致。有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。有源电气元件存在两种基本形式：电压源和电流源。其理想状态为： 电压源两端的电压恒定， 与从电压源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基本恒定，所以上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面， 电流源产生电流，电流的大小与电源连接的负载无关。虽然电流源在实际中不常见，但其概念的确在表示借助于等值电路的放大器件，比如晶体管中具有广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1-1A-2 所示。分析电网络的一般方法是网孔分析法或回路分析法。应用于此方法的基本定律是基尔霍夫第一定律，基尔霍夫第一定律指出：一个闭合回路中的电压代数和为0，换句话说，任一闭合回路中的电压升等于电压降。网孔分析指的是： 假设有一个电流 即所谓的回路电流流过电路中的每一个回路，求每一个回路电压降的代数和，并令其为零。考虑图 1-1A-3a 所示的电路，其由串联到电压源上的电感和电阻组成，假设回路电流 i ，那么回路总的电压降为因为在假定的电流方向上，输入电压代表电压升的方向，所以输入电压在（1-1A-5）式中为负。因为电流方向是电压下降的方向，所以每一个无源元件的压降为正。利用电阻和电感压降公式，可得等式(1-1A-6)是电路电流的微分方程式。或许在电路中， 人们感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流。正如图 1-1A-1 指出的。用积分代替式(1-1A-6) 中的 i，可得在对时间微分后，式(1-1A-7) 变为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 上式是电感电压的微分方程。图 1-1A-3b 给出了一个由电阻、 电感和电容组成的串联电路，根据上述的网孔分析法，可得电路方程式为由本文可知电流i = dq/dt，用 dq/dt 代替 i 变量以消除式中积分，可得二次微分方程为：二运算放大器像广义放大器这样的电子器件存在的一个问题就是它们的增益AU 或 AI 取决于双端口系统 ( 、RI、Ro 等)的内部特性。器件之间参数的分散性和温度漂移给设计工作增加了难度。设计运算放大器或Op-Amp 的目的就是使它尽可能的减少对其内部参数的依赖性、最大程度地简化设计工作。运算放大器是一个集成电路，在它内部有许多电阻、晶体管等元件。就此而言，我们不再描述这些元件的内部工作原理。运算放大器的全面综合分析超越了某些教科书的范围。在这里我们将详细研究一个例子，然后给出两个运算放大器定律并说明在许多实用电路中怎样使用这两个定律来进行分析。这两个定律可允许一个人在没有详细了解运算放大器物理特性的情况下设计各种电路。因此，运算放大器对于在不同技术领域中需要使用简单放大器而不是在晶体管级做设计的研究人员来说是非常有用的。在电路和电子学教科书中，也说明了如何用运算放大器建立简单的滤波电路。作为构建运算放大器集成电路的积木晶体管，将在下篇课文中进行讨论。理想运算放大器的符号如图1-2A-1 所示。图中只给出三个管脚：正输入、负输入和输出。让运算放大器正常运行所必需的其它一些管脚，诸如电源管脚、接零管脚等并未画出。在实际电路中使用运算放大器时，后者是必要的， 但在本文中讨论理想的运算放大器的应用时则不必考虑后者。两个输入电压和输出电压用符号U 、U 和 Uo 表示。每一个电压均指的是相对于接零管脚的电位。运算放大器是差分装置。差分的意思是： 相对于接零管脚的输出电压可由下式表示(1-2A-1) 式中 A 是运算放大器的增益，U和 U是输入电压。换句话说，输出电压是A 乘以两输入间的电位差。集成电路技术使得在非常小的一块半导体材料的复合“ 芯片 ” 上可以安装许多放大器电路。运算放大器成功的一个关键就是许多晶体管放大器“ 串联 ” 以产生非常大的整体增益。也就是说，等式 (1-2A-1) 中的数 A 约为 100,000 或更多(例如，五个晶体管放大器串联，每一个的增益为10，那么将会得到此数值的A )。 第二个重要因素是这些电路是按照流入每一个输入的电流都很小这样的原则来设计制作的。第三个重要的设计特点就是运算放大器的输出阻抗 (Ro )非常小。也就是说运算放大器的输出是一个理想的电压源。我们现在利用这些特性就可以分析图1-2A-2 所示的特殊放大器电路了。首先，注意到在正极输入的电压U 等于电源电压， 即 U =Us。 各个电流定义如图1-2A-2 中的 b 图所示。对图 1-2A-2b 的外回路应用基尔霍夫定律，注意输出电压Uo 指的是它与接零管脚之间的电位，我们就可得到(1-2A-2 因为运算放大器是按照没有电流流入正输入端和负输入端的原则制作的，即I =0。那么对名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 负输入端利用基尔霍夫定律可得I1 = I2，利用等式 (1-2A-2) ，并设I1 =I 2 =I ，U0 = (R1 +R2 ) I (1-2A-3) 根据电流参考方向和接零管脚电位为零伏特的事实，利用欧姆定律，可得负极输入电压 U ：因此U =IR 1 ，并由式(1-2A-3) 可得：因为现在已有了U+ 和 U 的表达式，所以式(1-2A-1) 可用于计算输出电压，综合上述等式，可得：最后可得：(1-2A-5a) 这是电路的增益系数。如果A 是一个非常大的数，大到足够使AR1 (R1 +R2)，那么分式的分母主要由AR1 项决定，存在于分子和分母的系数A 就可对消，增益可用下式表示这表明， 如果 A 非常大， 那么电路的增益与A 的精确值无关并能够通过R1 和 R2 的选择来控制。这是运算放大器设计的重要特征之一 在信号作用下，电路的动作仅取决于能够容易被设计者改变的外部元件，而不取决于运算放大器本身的细节特性。注意，如果A= 100,000， 而(R1 +R2) /R1=10，那么为此优点而付出的代价是用一个具有100,000 倍电压增益的器件产生一个具有10 倍增益的放大器。从某种意义上说，使用运算放大器是以“ 能量” 为代价来换取 “ 控制 ”。对各种运算放大器电路都可作类似的数学分析，但是这比较麻烦，并且存在一些非常有用的捷径，其涉及目前我们提出的运算放大器两个定律应用。1) 第一个定律指出：在一般运算放大器电路中，可以假设输入端间的电压为零，也就是说，2) 第二个定律指出：在一般运算放大器电路中，两个输入电流可被假定为零：第一个定律是因为内在增益A 的值很大。例，如果运算放大器的输出是1V ，并且A= 100,000, 那么( )= 10 5V 这是一个非常小、可以忽略的数，因此可设U+=U-。第二个定律来自于运算放大器的内部电路结构，此结构使得基本上没有电流流入任何一个输入端。三逻辑变量和触发器逻辑变量我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量，而象或和与这样的操作被称为逻辑操作。现在我们将简要地讨论一下这些术语之间的关联，并在此过程中，阐明用标示“ 真” 和“ 假”来识别一个变量的可能值的特殊用途。举例说明，假设你和两个飞行员在一架空中航行的飞机中，你在客舱中， 而飞行员A 和 B 在驾驶员座舱中。在某一时刻，A 来到了你所在的客舱中，你并不担心这种变化。然而，假设当你和A 在客舱时，你抬头发现B 也已经来到了你所在的客舱中。基于你的逻辑推理能力，你将会推断飞机无人驾驶； 并且，大概你已听到了警报，以致使驾驶员之一将迅速对此紧急情况作出响应。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 换句话说，假设每一位飞行员座位下面有一个电子装置，当座位上有人时，其输出电压为V1，当座位上无人时，其输出电压为V2 。现在我们用 “ 真” 来代表电压V2，从而使电压V1表示 “ 假” 。让我们进一步制作一个带有两个输入端和一个输出端的电路，此电路的特性是：只要两个输入， 即一个输入同时和另一个输入相与，结果为 V2时，输出电压才是V2。否则，输出是V1。最后，让我们把输入和飞行员A 和 B 座位下的装置联结起来，并安装一个与输出 Z 相连的警铃，当输出是V2 (“ 真 ” )时响应，否则不响应。这样，我们已创建了一个执行与操作的电路， 这个电路能完成当两个驾驶员确实都离开驾驶舱时飞机是无人驾驶的逻辑推断。概括一下，情形如下：符号A、B 和 Z 代表命题A =飞行员 A 已离开座位为真（T）B = 飞行员 B 已离开座位为真（T）Z = 飞机无人驾驶，处于危险状况时为真（T）当然，、和分别代表相反的命题。例如，代表的命题是当飞行员离开驾驶舱等时为假（ F） ，以此类推。命题间的关系可写为Z=AB (1-3A-1) 我们已经选择用电压来表示逻辑变量A、 B 和 Z 。但是必须注意，实际上式(1-3A-1) 是命题间的关系，与我们选择的表示命题的确切方式无关，甚至可以说与我们具有的任何物理表示形式无关。式(1-3A-1) 指出，如果命题A 和 B 都为真，那么命题Z 就为真，否则命题Z 为假。式(1-3A-1) 是一个例子， 这种命题代数被称为布尔代数。和其它处理有数字意义的变量一样，布尔代数处理的是命题，而且布尔代数对于分析仅有两个互反变量的命题之间的关系是一种有效的工具。SR 触发器图 1-3A-1 给出的一对交叉连接的或非门电路被称为触发器。其有一对输入端S 和R ，分别代表 “ 置位 ” 和“ 复位 ” 。我们不仅用符号S 和 R 标明端点，而且指定端点的逻辑电平。因此，通常S=1 指的是对应于逻辑电平为1 的电压出现在S 端。相似的，输出端和相应的输出逻辑电平为Q 和。使用这样的符号时，我们已经明确了一个事实，即在我们下面将看到的符号操作中，输出的逻辑电平是互补的。触发器基本的、最重要的特性是其具有“ 记忆 ” 功能。也就是说，设置S 和 R 目前的逻辑电平为 0 和 0，根据输出的状态，即可确定S 和 R在其获得当前电平之前的逻辑电平。术语为方便衔接下面的讨论内容，介绍一些常见的术语，这有助于了解逻辑系统设计师中惯用的观点。在与非和或非门（以及与和或门）中，当用其来达到我们的设计意图时，我们能够任意选择一个输入端，并把其看成是使能-失效输入，因此可考虑或非或或门。如果被选的一个输入为逻辑1，那么门电路的输出与所有的其它输入无关。这个被选的输入可控制门电路，其它所有输入相对于这个门电路是失效的(术语 “ 抑制 ”的同义词为 “ 失效 ” )。相反，如果被选输入为逻辑0，那么它不能控制门电路，门电路能够响应其它输入。在与非或与门中，当被选输入为逻辑0 时，此输入控制并截止门电路，因为一个输入为逻辑0，那么门电路的输出不能响应其它输入。注意一方面是或非门和或门间的区别，另一方面是与非门和与门间的区别。在第一种情况下，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 当控制输入转为逻辑1 时，其可获得门电路的控制；在第二种情况下，当控制输入转为逻辑0 时，其可获得门电路的控制。在数字系统中，普遍的观点是把逻辑0 看成一个基本的、无干扰的、稳定的、静止的状态，把逻辑1 看成激励的、活跃的、有效的状态，就是说，这种状态是发生在某种操作动作之后。因此，当作用已产生时，其倾向将是定义最后的状态作为对某逻辑变量已转为1的响应。当 “ 无操作发生 ”时，逻辑变量为逻辑0。类似地，如果作用将通过逻辑变量的变化产生， 那么最好是以这样的方式定义有关的逻辑变量，即当逻辑变量转为逻辑1 时达到此效果。在我们对触发器的讨论中，将看到持有此种观点的例子。四功率半导体器件功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。开关式功率变换的效率更高。现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类如下：二极管电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源和变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。典型的功率二极管具有P-I-N 结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于P-N结的中部以阻断反向电压。图 1-4A-1 给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。在正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。典型的正向导通压降为1.0 伏。导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过， 泄漏电流随电压逐渐增加。如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。电力二极管分类如下:标准或慢速恢复二极管快速恢复二极管肖特基二极管晶闸管闸流管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。50 年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电力电子技术。术语 “ 晶闸管 ” 来自与其相应的充气管等效装置，闸流管。通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。晶闸管可分成标准或慢速相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。逆变器型现已淘汰。图 1-4A-2给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。基本上，晶闸管是一个三结P-N-P-N 器件，器件内P-N-P 和 N-P-N 两个三极管按正反馈方式连接。晶闸管可阻断正向和反向电压 （对称阻断） 。当阳极为正时， 晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上升率（ dv/dt） 、结温的上升、PN 结上的光照等产生误导通。在门电流IG = 0 时，如果将正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。随着门极控制电流IG 的增加， 正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流IG= IG3 时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流， 晶闸管将成功导通。在导通期间， 如果门极电流是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流， 晶闸管名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 转换到正向阻断状态。相对反向电压而言，晶闸管末端的P-N 结处于反向偏置状态。现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千安）额定值。双向可控硅双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲， 它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。图1-4A-3 给出了双向可控硅的符号。在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。在 +工作方式， T2 端为正， 双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。在 -工作方式， T1 端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通。双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。由于少数载流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。 由于同样的原因，重复施加的dv/dt 额定值较低，因此用于感性负载比较困难。双向可控硅电路必须有精心设计的RC 缓冲器。双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60 赫兹电源频率的固态继电器。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。GTO 的关断能力来自由门极转移P-N-P 集电极的电流，因此消除P-N-PN-P-N 的正反馈效应。GTO 有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。GTO 的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为4 或 5，非常低。这意味着6000 安培的 GTO 需要 1,500 安培的门极电流脉冲。但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常小，用低压电力MOS 场效应晶体管提供非常容易。 GTO 被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容量AC/DC 电源。大容量GTO 的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。图1-4A-4 给出了 GTO 的符号。电力 MOS 场效应晶体管与以前讨论的器件不同，电力 MOS 场效应晶体管是一种单极、多数载流子、 “ 零结 ” 、电压控制器件。图1-4A-5 给出了 N 型 MOS 场效应晶体管的符号。如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N 型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组成的电流。虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅 源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。MOS 场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通过所有的反向电流的二极管。二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。虽然对较高的电压器件来说，MOS 场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。 它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。虽然在静态MOS 场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动而后跟随一个电压源来减少开关延迟。MOS 场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机驱动和固态直流继电器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 绝缘栅双极型晶体管在 20 世纪 80 年代中期出现的绝缘栅双极型晶体管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。它们在中等功率（数千瓦到数兆瓦）的电力电子设备上处处可见，被广泛用于直流 /交流传动和电源系统。它们在数兆瓦功率级取代了双极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。IGBT 基本上是混合的MOS 门控通断双极性晶体管，它综合了 MOSFET 和 BJT 的优点。它的结构基本上与MOSFET 的结构相似， 只是在 MOSFET 的 N+漏极层上的集电极加了一个额外的P+层。IGBT 有 MOSFET 的高输入阻抗和像BJT 的导通特性。如果门极电压相对于发射极为正，P 区的 N 型沟道受到感应。这个P-N-P 晶体管正向偏置的基极发射极结使IGBT 导通并引起N区传导性调制，这使得导通压降大大低于MOSFET 的导通压降。在导通条件下，在 IGBT 的等效电路中，驱动器MOSFET 运送大部分的端子电流。由寄生N-P-N 晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少P+层电阻系数和通过MOSFET 将大部分电流转移而得到预防。IGBT 通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切断了P 区的导通通道。 IGBT 比 BJT 或 MOSFET 有更高的电流密度。IGBT 的输入电容 (Ciss)比 MOSFET 的要小得多。还有，IGBT 的门极 集电极电容与门极发射极电容之比更低，给出了改善的密勒反馈效应。金属氧化物半导体控制的晶闸管金属氧化物半导体控制的晶闸管(MCT) ，正像名字所说的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器件，它可以通过在MOS 门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。 MCT 具有微单元结构，在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。单元结构有点复杂。图 1-4A-7 给出了 MCT 的符号。它由一个相对于阳极的负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制关断。MCT 具有类似晶闸管的P-N-P-N 结构，在那里P-N-P 和N-P-N 两个晶体管部件连接成正反馈方式。但与晶闸管不同的是MCT 只有单极（或不对称）电压阻断能力。如果MCT 的门极电压相对于阳极为负，在P 型场效应晶体管中的P 沟道受到感应， 使 N-P-N 晶体管正向偏置。 这也使P-N-P 晶体正向偏置， 由正反馈效应MCT进入饱和状态。在导通情况下，压降为1 伏左右（类似于晶闸管）。如果 MCT 的门极电压相对于阳极为正，N 型场效应晶体管饱和并将P-N-P 晶体管的发射极-基极短路。这将打破晶闸管工作的正反馈环，MCT 关断。关断完全是由于再结合效应因而 MCT 的关断时间有点长。MCT 有限定的上升速率，因此在MCT 变换器中必须加缓冲器电路。最近，MCT 已用于 “ 软开关 ” 变换器中，在那不用限定上升速率。尽管电路结构复杂， MCT 的电流却比电力MOSFET 、 BJT 和 IGBT 的大，因此它需要有一个较小的死区。1992 年在市场上可见到MCT ，现在可买到中等功率的MCT 。MCT 的发展前景尚未可知。集成门极换向晶闸管集成门极换向晶闸管是当前电力半导体家族的最新成员，由 ABB 在 1997 年推出。图 1-4A-8 给出了 IGCT 的符号。 基本上， IGCT 是一个具有单位关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的GTO。这表示具有可控3,000 安培阳极电流的4,500 V IGCT需要3,000 安培负的门极关断电流。这样一个持续时间非常短、di/dt 非常大、能量又较小的门极名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 电流脉冲可以由多个并联的MOSFET 来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。门驱动电路内置在IGCT 模块内。 IGCT 内有一对单片集成的反并联二极管。导通压降、导通时电流上升率di/dt 、门驱动器损耗、少数载流子存储时间、关断时电压上升率dv/dt均优于 GTO 。IGCT 更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比GTO 更高的开关频率。多个 IGCT 可以串联或并联用于更大的功率场合。IGCT 已用于电力系统连锁电力网安装（100兆伏安）和中等功率（最大5 兆瓦）工业驱动。五 直流电机分类现在可以买到的直流电机基本上有四种：永磁直流电机，串励直流电机，并励直流电机， 复励直流电机。 每种类型的电动机由于其基本电路和物理特性的不同而具有不同的机械特性。永磁直流电机永磁直流电机，如图1-5A-1 所示， 是用与直流发电机同样的方法建造的。永磁直流电机用于低转矩场合。当使用这种电机时，直流电源与电枢导体通过电刷/换向器装置直接连接。磁场由安装在定子上的永磁磁铁产生。永磁磁铁电机的转子是绕线式电枢。这种电机通常使用铝镍钴永磁合金或陶瓷永磁磁铁而不是励磁线圈。铝镍钴永磁合金用于大功率电机。陶瓷永磁磁铁通常用于小功率、低速电机。陶瓷永磁磁铁抗退磁性能高，但它产生的磁通量较低。磁铁通常安装在电机外壳里边，在安装电枢前将其磁化。永磁电机相对于常规直流电机有几个优点。优点之一是减少了运行损耗。永磁电机的转速特性类似于并励式直流电机的转速特性。永磁电机的旋转方向可通过将电源线反接来实现。串励式直流电动机直流电机电枢和激磁电路的连接方式确定了直流电机的基本特性。每一种直流电机的结构与其对应的直流发电机的结构类似。大部分情况下， 二者的唯一区别在于发电机常作为电压源，而电动机常作为机械能转换装置。串励式直流电动机，如图1-5A-2 所示，电枢和激磁电路串联连接。仅有一个通路供电流从直流电压源流出。因此，激磁绕组匝数相对少、导线直径大，以使激磁绕组阻抗低。电机轴上负载的变化引起通过激磁绕组电流的变化。如果机械负载增加，电流也增加。 增加的电流建立了更强的磁场。当负载从零增加到很大时，串励式电机的转速从很高变化到很低。由于大电流可以流过低阻抗的激磁绕组，串励式电动机产生一个高转矩输出。串励式电动机用于启动重负载，而速度调节并不重要的场合。一个典型应用是车辆启动电机。并励式直流电动机并励式直流电动机是最常用的一种直流电机。如图 1-5A-3 所示， 并励式直流电动机的激磁绕组与电枢绕组并联连接。这种直流电机的激磁绕组匝数多、导线直径小， 因而阻抗相对比较高。由于激磁绕组是并励式电动机电路的高阻抗并联通道，流过激磁绕组的电流很小。由于形成激磁绕组的导线的匝数多，产生的电磁场很强。并励式电动机的大部分电流（大约95%）流过电枢电路。由于电流对磁场强度几乎没有什么影响， 电机转速不受负载电流变化的影响。流过并励式直流电动机的电流关系如下：IL=Ia+If 通过在激磁绕组中串联一个可变电阻可以改变激磁电流。由于激磁回路电流小，低功耗可变名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 电阻器可用于改变激磁绕组阻抗，进而改变电机转速。激磁阻抗增加，激磁电流会减少。励磁电流的减小会使磁场减弱。当磁通减少时， 转子会由于与减弱的磁场相互作用而加速旋转。因此使用励磁变阻器，并励式直流电动机的转速很容易调节。并励式直流电动机具有优良的转速调节功能。当负载增加时，由于增加了电枢绕组上的压降，转速稍微有一点降低。由于它的优良的转速调节特性和转速控制的简易性，并励式直流电动机通常用于工业场合。许多种可调速机床由并励式直流电动机驱动。直流电机速度-转矩特性在许多应用场合， 直流电机用于驱动机械负载。某些应用场合要求电机驱动的机械负载变化时，而电机的转速保持恒定。另一方面，某些应用场合要求调速范围宽。想把直流电机用于特定场合的工程师必须了解电机的转矩和速度之间的关系。首先我们讨论并励式电机，再把这种方法用于其它电机。为此，两个相关的公式是转矩和电流公式。图 1-5A-5 给出了并励式、 累加复励式和串励式电机转速-转矩特性的一般曲线。为便于比较，三条曲线都通过额定转矩和额定转速这个公共点。公式中的两个变量是转速n 和电枢电流Ia。在电机输出额定转矩时，电枢电流输出的是额定电枢电流，转速输出的是额定转速。当负载转矩为零时，电枢电流变得相对较小，使转速n 的分子项变得较大。这导致转速上升。转速增加的范围取决于电枢电路压降的大小与电枢端电压的比值。六控制的世界简介控制一词的含义一般是调节、指导或者命令。控制系统大量存在于我们周围。在最抽象的意义上说，每个物理对象都是一个控制系统。控制系统被人们用来扩展自己的能力，补偿生理上的限制，或把自己从常规、单调的工作中解脱出来，或者用来节省开支。例如在现代航空器中，功率助推装置可以把飞行员的力量放大，从而克服巨大的空气阻力推动飞行控制翼面。飞行员的反应速度太慢，如果不附加阻尼偏航系统，飞行员就无法通过轻微阻尼的侧倾转向方式来驾驶飞机。自动飞行控制系统把飞行员从保持正确航向、高度和姿态的连续操作任务中解脱出来。没有了这些常规操作，飞行员可以执行其他的任务，如领航或通讯，这样就减少了所需的机组人员，降低了飞行费用。在很多情况下，控制系统的设计是基于某种理论，而不是靠直觉或试凑法。控制系统能够用来处理系统对命令、调节或扰动的动态响应。控制理论的应用基本上有两个方面：动态响应分析和控制系统设计。系统分析关注的是命令、扰动和系统参数的变化对被控对象响应的决定作用。 如某动态响应是满足需要的，就不需要第二步了。如果系统不能满足要求，而且不能改变被控对象，就需要进行系统设计，来选择使动态性能达到要求的控制元件。控制理论本身分成两个部分：经典和现代。经典控制理论始于二次大战以传递函数的概念为特征， 分析和设计主要在拉普拉斯域和频域内进行。现代控制理论是随着高速数字计算机的出现而发展起来的。它以状态变量的概念为特征，重点在于矩阵代数，分析和设计主要在时域。每种方法都有其优点和缺点，也各有其倡导者和反对者。与现代控制理论相比，经典方法具有指导性的优点，它把重点很少放在数学技术上，而把更多重点放在物理理解上。而且在许多设计情况中，经典方法既简单也完全足够用。在那些更复杂的情况中，经典方法虽不能满足，但它的解可以对应用现代方法起辅助作用，而且可以对设计进行更完整和准确的检查。由于这些原因， 后续的章节将详细地介绍经典控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 理论。控制系统的分类和术语控制系统可根据系统本身或其参量进行分类：开环和闭环系统（如图2-1A-1 ） ：开环控制系统是控制行为与输出无关的系统。而闭环系统， 其被控对象的输入在某种程度上依赖于实际的输出。因为输出以由反馈元件决定的一种函数形式反馈回来，然后被输入减去。 闭环系统通常是指负反馈系统或简称为反馈系统。连续和离散系统： 所有变量都是时间的连续函数的系统称做连续变量或模拟系统，描述的方程是微分方程。离散变量或数字系统有一个或多个只是在特殊时刻可知的变量，如图2-1A-2b ，描述方程是差分方程。如果时间间隔是可控的，系统被称做数据采样系统。离散变量随机地产生，例如：为只能接受离散数据的数字计算机提供一个输入。显然， 当采样间隔减小时，离散变量就接近一个连续变量。不连续的变量，如图2-1A-2c 所示，出现在开关或乓 -乓控制系统中。这将分别在后续的章节中讨论。线性和非线性系统：如果系统所有元件都是线性的，系统就是线性的。如果任何一个是非线性的，系统就是非线性的。时变和时不变系统：一个时不变系统或静态系统，其参数不随时间变化。当提供一个输入时， 时不变系统的输出不依赖于时间。描述系统的微分方程的系数为常数。如果有一个或多个参数随时间变化，则系统是时变或非静态系统提供输入的时间必须已知，微分方程的系数是随时间而变化的。集中参数和分散参数系统：集中参数系统是其物理性质被假设集中在一块或多块，从而与任何空间分布无关的系统。在作用上，物体被假设为刚性的，被作为质点处理；弹簧是没有质量的， 电线是没有电阻的，或者对系统质量或电阻进行适当的补偿；温度在各部分是一致的，等等。在分布参数系统中，要考虑到物理特性的连续空间分布。物体是有弹性的，弹簧是有分布质量的，电线具有分布电阻，温度在物体各处是不同的。集中参数系统由常微分方程描述，而分布参数系统由偏微分方程描述。确定系统和随机系统：一个系统或变量， 如果其未来的性能在合理的限度内是可预测和重复的， 则这个系统或变量就是确定的。否则，系统或变量就是随机的。对随机系统或有随机输入的确定系统的分析是基于概率论基础上的。单变量和多变量系统： 单变量系统被定义为对于一个参考或命令输入只有一个输出的系统，经常被称为单输入单输出（SISO）系统。多变量（ MIMO ）系统含有任意多个输入和输出。控制系统工程设计问题控制系统工程由控制结构的分析和实际组成。分析是对所存在的系统性能的研究，设计问题是对系统部件的一种选择和安排从而实现特定的任务。控制系统的设计并不是一个精确或严格确定的过程，而是一系列相关事情的序列，典型的顺序是：1)被控对象的建模；2）系统模型的线性化；3）系统的动态分析；4）系统的非线性仿真； 5）控制思想和方法的建立；6）性能指标的选择；7）控制器的设计；8）整个系统的动态分析； 9）整个系统的非线性仿真；10）所用硬件的选择；11）开发系统的建立和测试；12）产品模型的设计；13）产品模型的测试。这个顺序不是固定的，全包括的或必要次序的。这里给出为后续单元提出和讨论的技术做一个合理的阐述。名师资料总结 - 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