第3章 直流斩波电路.ppt

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1、电力电子技术第3 章 直流斩波电路3 直流斩波电路3.1 全控电力电子器件3.2 直流斩波工作原理3.3 基本直流斩波电路3.4 其他直流斩波电路3.5 直流斩波电路应用3.1 全控电力电子器件3.1.1可关断晶闸管3.1.2电力晶体管3.1.3功率场效应晶体管3.1.4绝缘栅双极晶体管3.1.5智能型器件IPM3.1.1可关断晶闸管门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。GTO既具有普通晶闸管的优点（耐压高，电流大，耐浪涌能力强，价格便宜），同时又具有GTR的优点（自关断能力，无需辅助关断电路，使用方便）。是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关

2、器件。广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。1GTO的结构与工作原理GTO的结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN四层三端半导体器件，其结构、等效电路及符号如图3-1所示。图中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。其外形如图3-2所示。图3-1 GTO的结构、等效电路及符号(a)结构 (b)符号图3-2 GTO的外形图2GTO的主要特性的主要特性（1）阳极伏安特性逆阻型的阳极伏安特性如图所示。由图3-3可见，它与普通晶闸管的伏安特性极其相似。（2）通态压降特性GTO的通态压降特性如图3-4。（3）开通特性开通特性是元件从断态到通态过程中电流、电压及功耗随时

3、间变化的规律。如图3-5所示。（4）关断特性关断特性是指GTO在关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系，如图3-6所示。图3-3 GTO的阳极伏安特性图3-4 GTO的通态压降 图3-5 GTO的开通特性 图3-6 GTO的关断特性3GTO的主要参数的主要参数（1）最大可关断阳极电流IATO（2）关断增益 off（3）阳极尖峰电压UP 4GTO门极驱动要求门极驱动要求图3-7为理想门极信号波形，门极电压、电流包含正向开通脉冲和反向关断脉冲（1）导通触发（2）关断触发 图3-7 GTO理想门极信号波形5可关断晶闸管的测试可关断晶闸管的测试（1）可关断晶闸管电极的判定将万用表置于R10档

4、或R100档，轮换测量可关断晶闸管的3个引脚之间的电阻，如图3-8所示。（2）判定可关断晶闸管的好坏用万用表R10档或R100档测量晶闸管阳极（A）与阴极（K）之间的电阻，或测量阳极（A）与门极（G）之间的电阻。如果读数小于1k，说明可关断晶闸管严重漏电，器件已击穿损坏。用万用表R10档或R100档测量测量门极（G）与阴极（K）之间的电阻。如正反向电阻均为无穷大（），说明被测晶闸管门极、阴极之间断路，该管也已损坏。图3-8 可关断晶闸管电极判别（3）可关断晶闸管触发特性测试如图3-9所示。将万用表置于R1档，黑表笔接可关断晶闸管的阳极A，红表笔接阴极G悬空，这时晶闸管处于阻断状态，电阻应为无穷

5、大（），如图3-9（a）所示。（4）可关断晶闸管关断能力的初步检测测试方法如图3-10所示。采用1.5V干电池一节，普通万用表一只。图3-9 可关断晶闸管触发特性简易测试方法图3-10 可关断晶闸管的关断能力测试3.1.2电力晶体管电力晶体管电力晶体管（GTR）是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(BJT)。1GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图3-11分别给出了NPN型GTR的内部结构断面示意图和电气图形符号。图3-11 NPN型GTR的内部结构断面示意图和电气图形符号 (a)内部结构断面示意图 （b）电气图形 2GTR的基本特性的基本特性(1)静态特性图3-12给出了GTR在共发射极

6、接法时的典型输出特性（即集电极伏安特性），明显地分为我们所熟悉的截止区、放大区和饱和区三个区域。(2)动态特性图3-13给出了GTR开通和关断过程中基极电流和集电极电流波形的关系。图3-12 共发射极接法时GTR的输出特性图3-13 GTR的开通和关断过程电流波形3GTR的基本参数的基本参数(1)最高工作电压(2)集电极最大允许电流ICM(3)集电极最大耗散功率PCM 4GTR的二次击穿和安全工作区的二次击穿和安全工作区(1)二次击穿现象(2)安全工作区正向偏置安全工作区如图3-14(a)所示。反向偏置安全工作区如图3-14(b)所示。图3-14 GTR安全工作区（a）正向偏置安全工作区 (b

7、)反向偏置安全工作区3.1.3功率场效应晶体管1功率功率MOSFET的结构与工作原理的结构与工作原理图3-15 功率MOSFET的符号(a)N沟道 (b)P沟道2功率功率MOSFET的主要特性的主要特性（1）输出特性输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源极电压UDS间关系的曲线族，如图3-16所示。（2）转移特性转移特性是在一定的漏极与源极电压UDS下，功率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线。如图3-17(a)所示。图3-17(b)所示为壳温TC对转移特性的影响。（3）开关特性功率MOSFET的开关波形如图3-18所示。图3-17 功率

8、MOSFET的转移特性图3-16 功率MOSFET的输出特性图3-18 功率MOSFET开关过程的电压波形3功率功率MOSFET 的主要参数的主要参数（1）通态电阻Ron（2）开启电压UGS（th）（3）跨导gm（4）漏源击穿电压BUDS（5）栅源击穿电压BUGS4功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区（1）正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区如图3-19所示。（2）开关安全工作区开关安全工作区SSOA表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围，见图3-20。图3-19 正偏安全工作区（FBSOA）的开关安全工作区图3-20 开关安全工作区（SSOA）5功率功率MOSFET栅极驱动的

9、特点及其要求栅极驱动的特点及其要求功率MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有：1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭。2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。3）为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压。4）功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。6功率功率MOSFET在使用中的静电保护措施在使用中的静电保护措施防止静电击穿应注意：1）器件应存放在抗

10、静电包装袋、导电材料袋或金属容器中，不能存放在塑料袋中。2）取用功率MOSFET时，工作人员必须通过腕带良好接地，且应拿在管壳部分而不是引线部分。3）接入电路时，工作台应接地，焊接的烙铁也必须良好接地或断电焊接。4）测试器件时，测量仪器和工作台都要良好接地。器件三个电极没有全部接入测试仪器前，不得施加电压。改换测试范围时，电压和电流要先恢复到零。3.1.4绝缘栅双极晶体管1IGBT工作原理工作原理由由结结构构图图可可知知，IGBT相相当当于于一一个个由由MOSFET驱驱动动的的厚厚基基区区GTR。其其剖剖面面图图见见图图3-21，N沟道沟道IGBT的图形符号如图的图形符号如图3-22所示。所示

11、。图3-21 IGBT结构剖面图 图3-22 N-IGBT图形符号 2IGBT主要特性主要特性（1）静态特性IGBT的静态特性包括转移特性和输出特性。IGBT的转移特性是描述集电极电流IC与栅射电压UGE之间关系的曲线，如图3-23（a）所示。图3-23（b）是以栅源电压UGE为参变量的IGBT正向输出特性，也称伏安特性。（2）动态特性IGBT的动态特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分，如图3-24所示。图3-23 IGBT的静态特性曲线（a）转移特性 （b）输出特性图3-24 IGBT的动态特性3IGBT的锁定效应的锁定效应IGBT实际结构的等效电路如图3-25所示。4IGBT的主要参数

12、的主要参数（1）集射极击穿电压BUCES（2）开启电压UGE（th）（3）通态压降UCE（on）（4）最大栅射极电压UGES（5）集电极连续电流IC和峰值电流ICM5IGBT的安全工作区的安全工作区IGBT的安全工作区如图3-26所示。图3-25 IGBT实际结构的等效电路图3-26 IGBT的安全工作区（a）FBSOA （b）RBSOA6IGBT对驱动电路的要求对驱动电路的要求7IGBT容量的选择容量的选择8IGBT与与MOSFET和和GTR的比较的比较3.1.5智能型器件IPM图3-28 IPM结构框图3.2直流斩波工作原理基本斩波电路原理图如图3-29所示。斩波器的输出波形如图3-30所

13、示。斩波电路有三种电压控制方式：1)定频调宽控制(脉冲宽度调制PWM)2)定宽调频(脉冲频率调制PFM)3)调频调宽混合控制图3-29 直流斩波电路原理图 3-30 电压波形3.3基本直流斩波电路3.3.1降压斩波电路3.3.2升压斩波电路3.3.3升降压斩波电路3.3.1降压斩波电路图3-31(a)是一个实际的降压斩波电路原理图。图中CH是一个采用全控型器件的斩波器，VD为续流二极管，用于在斩波器关断期间为电感性负载提供续流回路；Ld为平波电抗器，可使负载得到平滑的输出电流。由于T，所以UdU，即负载上得到的直流平均电压小于直流输入电压，故称为降压斩波器。图3-31（b）是负载电流连续工况下

14、各点波形图(假设电流io从I1变化到I2)。图3-31 降压斩波电路及波形(a)降压斩波电路图 (b)电压、电流波形3.3.2升压斩波电路升压斩波电路的工作原理及波形如图3-32所示。图3-32 升压斩波电路及波形（a）降压斩波电路图 (b)电压、电流波形3.3.3升降压斩波电路升降压斩波电路的工作原理如图3-33所示。图3-33 升降压斩波电路3.4其他直流斩波电路3.4.1双象限斩波电路3.4.2四象限斩波电路3.4.3多象多重斩波电路3.4.1双象限斩波电路1桥臂式双象限斩波电路（A型双象限斩波电路）桥臂式双象限斩波电路原理如图3-34所示。2混合桥式双象限斩波电路（B型双象限斩波电路）

15、混合桥式双象限斩波电路原理如图3-35所示。图3-34 桥臂式双象限斩波电路图3-35 混合桥式双象限斩波电路3.4.2四象限斩波电路电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流可逆，实现电动机的两象限运行，但它提供的电压极性是单向的。当需要电机进行正、反转运行以及既可运行于电动机状态又可运行于制动状态时，就必须将两个二象限斩波电路组合起来，分别向电动机提供正、反向电压，成为一个四象限斩波器。四象限斩波器的工作原理如图3-36所示。图3-36 四象限斩波电路3.4.3多象多重斩波电路图3-37电路中，两个降压斩波电路单元并联在同一个电源和同一个负载之间，因此它是一个二相二重斩波电路。多相多重斩波电路

16、具有以下特点：（1）输出电流脉动率减小，有利于电机的运行。（2）平波电抗器的重量和体积可明显降低。（3）滤波器的效果会增加。（4）线路较单个斩波电路复杂，尤其是控制电路。（5）由单个斩波器并联构成，总的可靠性可提高。图3-37 二相二重斩波电路3.5直流斩波电路应用电气主电路原理图如图3-38所示。1直流斩波器工作原理工作过程如图3-39所示。斩波器换流波形如图3-40所示。图3-38 TCG-1型无轨电车主电路原理图图3-39 脉冲宽度控制直流斩波电路工作过程图3-40 斩波器换流波形2主电路中各元件的作用主电路中各元件的作用L0和C0和组成输入滤波器，起到维持直流斩波器输入端电压稳定和降低输入电流脉动量的作用，同时也减少对通信线路的干扰。VD0防止直流斩波器被加上反向电压。TP：由霍尔元件组成的电流变换器。电阻RT和晶闸管VT3组成削磁回路，目的在于进一步提高车速。