正弦波逆变器的课程设计要点.pdf
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1、目录 目录1 第一章绪论.2 1.1 正余弦波逆变器的概念 2 1.2 正余弦波逆变器的发展历史2 1.2.1 概述.2 1.2.2 正余弦波逆变器器件概述.3 第二章 正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理.4 2.1 可关断晶体管( GTO)4 2.2 电力晶体管( GTR)5 2.3 功率场效应晶体管( Power MOSFET)6 2.4 绝缘栅双极晶体管( IGBT).7 2.5 小结8 第三章 正弦波逆变器设计总体思路 .9 3.1 总体框架图 9 3.2 局部电路 9 3.21 电压型逆变器 9 3.22 电流型逆变器 .10 3.3 正弦脉宽调制逆变器 .11 3.31 PW
2、M 逆变电路及其工作原理 .11 3.32 总控制电路 .13 3.33 控制局部电路 15 第四章SPWM 逆变器的应用.16 4.1 SPWM 逆变器的概况 .16 4.2 SPWM 逆变器的应用场合 .16 总结17 参考文献17 第一章绪论 1.1 正弦波逆变器的概念 所谓逆变器, 是指整流器的逆向变换装置。 其作用是通过半导体功率开关器 件(例如 GTO,GTR,功率 MOSFET 和 IGBT 等)的开通和关断作用,把直流电 能换成交流电能,它是一种电能变换装置逆变器。 特别是弦波逆变器,其主要用途是用于交流传动,静止变频和UPS 电源。 逆变器的负载多半是感性负载。 为了提高逆变
3、效率, 存储在负载电感中的无功能 量应能反馈回电源。 因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的变换器,即 它既可以把直流电能传输到交流负载侧,也可以把交流负载中的无功电能反馈回 直流电源。 1.2 弦波逆变器的发展历史 1.21 概述 逆变器的原理早在1931 年就在文献中提到过。 1948 年,美国西屋电气公司 用汞弧整流器制成了3000HZ 的感应加热用逆变器。 1947 年,第一只晶体管诞生,固态电力电子学随之诞生。1956 年,第 一只晶体管问世, 这标志着电力电子学的诞生, 并开始进入传统发展时代。 在这 个时代,逆变器继整流器之后开始发展。 首先出现的是 SCR电压型逆变器。 1
4、961 年,B.D.Bedford 提出了改进型SCR 强迫换向逆变器,为SCR 逆变器的发展奠 定了基础。 1960 年以后,人们注意到改善逆变器波形的重要性,并开始进行研 究。1962 年,A.Kernick 提出了“谐波中和消除法” ,即后来常用的“多重叠加 法” ,这标志着正弦波逆变器的诞生。1963年,F.G .Turnbull 提出了“消除特定谐 波法” ,为后来的优化PWM 法奠定了基础,以实现特定的优化目标,如谐波最 小,效率最优,转矩脉动最小等。 20 世纪 70 年代后期,可关断晶闸管GTO、电力晶体管 GTR 及其模块相继 实用化。 80 年代以来,电力电子技术与微电子技
5、术相结合,产生了各种高频化 的全控器件, 并得到了迅速发展, 如功率场效应管 Power MOSFET、绝缘门极晶 体管 IGT 或 IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管 MCT,及 MOS 晶体管 MGT 等。这就是、使电力电子技术由传统发展时代进入 到高频化时代。在这个时代,具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷。 特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。 1964年,由 A.Schonung和 H.Stemmler提出的、把通信系统调制技术应用到 逆变技术中的正弦波脉宽调制技术(Sinusoida-PWM,简称 SPWM) ,由于当时 开关器件的速度
6、慢而未得到推广。直到1975 年才由 Bristol 大学的 S.R.Bowse等 把 SPWM 技术正式应用到逆变技术中,使逆变器的性能大大提高,并得到了广 泛的应用和发展,也使正弦波逆变技术达到了一个新高度。此后,各种不同的 PWM 技术相继出现,例如注入三次谐波的PWM、空间相量调制( SVM) 、随机 PWM、电流滞环PWM 等,成为高速器件逆变器的主导控制方式。至此,正弦 波逆变技术的发展已经基本完善。 1.22 正余弦波逆变器的器件概述 电力电子器件的发展经历了晶闸管(SCR) 、可关断晶闸管( GTO) 、晶 体管( BJT) 、绝缘栅晶体管( IGBT)等阶段。目前正向着大容量
7、、高频率、易 驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展,与其他电力电子器件相比,IGBT 具 有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点,为了达 到这些高性能,采用了许多用于集成电路的工艺技术,如外延技术、离子注入、 精细光刻等。 IGBT 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它 的并联不成问题,由于本身的关断延迟很短,其串联也容易。尽管IGBT 模块在 大功率应用中非常广泛, 但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题,其主要 失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度,另外, 绝缘材料的缺陷也 是一个问题。 随着电力电子技术的飞速发展, 正弦波输出变
8、压变频电源已被广泛应用在 各个领域中,与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的 要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面:一是稳态精度高; 二是 动态性能好。因此,研究开发既简单又具有优良动、 静态性能的逆变器控制策略, 已成为电力电子领域的研究热点之一。在现有的正弦波输出变压变频电源产品 中,为了得到 SPWM 波,一般都采用双极性调制技术。 第二章 正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理 2.1 可关断晶体管( GTO) 可关断晶闸管 GTO(Gate Turn-Off Thyristor )亦称门控晶闸管。其主要 特点为,当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断
9、。普通晶闸管(SCR)靠门 极正信号触发之后,撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断,必须切断电源,使正 向电流低于维持电流IH,或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路不 仅使设备的体积重量增大, 而且会降低效率, 产生波形失真和噪声。 可关断晶闸 管克服了上述缺陷, 它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点, 以具有自关 断能力,使用方便,是理想的高压、大电流开关器件。GTO 的容量及使用寿命 均超过巨型晶体管 (GTR) , 只是工作频纺比GTR 低。目前,GTO 已达到 3000A、 4500V 的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源 等领域,显示出强大的生命力
10、。 GTO 是一种 PNPN 四层结构的半导体器件,它的结构,等效电路图及 图形符号示于图 2.1-1 中。 G K A G K A G K P N P N 1 1 2 2 A GC C 1 2 1 2 K (a) (b) (c) 图 2.1-1 A 图中 A、G 和 K 分别表示 GTO 的阳极,门极和阴极。 1为 P1N1P2晶体管的共 基极电流放大系数, 2为 N 2P2N1晶体管的共基极电流放大系数,图中的箭头表 示各自的多数载流子运动方向。通常1比2小,即 P1N1P2晶体管不灵敏,而 N2P2N1晶体管灵敏。 GTO 导通时器件总的放大系数 1+2稍大于己于 1,器件处 于临界饱和
11、状态,为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。 2.2 电力晶体管( GTR ) 电力晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管,由于其功率非常大,所以, 它又被称作为巨型晶体管,简称GTR。GTR 是由三层半导体材料两个PN 结组 成的,三层半导体材料的结构形式可以是PNP,也可以是 NPN。大多数双极型 功率晶体管是在重掺质的N+硅衬底上, 用外延生长法在N+上生长一层 N 漂移层, 然 后在漂移层上扩散P 基区,接着扩散 N +发射区,因之称为三重扩散。基极与发射极在 一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。 在逆变电路中, GTR 都工作在共发射极状态, 其输出特性曲线是
12、指集 电极电流 IC 和电压 VCE 以及基极电流 IB之间的关系,如图2.2-1 所示。 GTR 的特性曲 线分 5 个区。区为截 止区,IB=0,IC很小, 为 CE 漏电流。 II 区 为线性放大区,当IB 增加时, IC也跟随 IB 线性增加。随着VCE 继续降低, IC已没有 增长能力,这就进入 了深度饱和区,即第 IV 区。这时的 VCE称 为 GTR 的饱和压降, 用 VCES表示,它比 GTO 和 VMOSFET 要低。 V 区为击穿区, IV II I I I V C I 0 BE CE 当 VCE增加到一定值时,即使IB不增加,IC也会增加,这时的 VCE就是 GTR 的一
13、次击穿电压。如果VCE继续增加, IC也增加,由于GTR 具有负阻特性,当 结温上升时, IC更大。由于整个管芯的导电不可能绝对均匀,大的 IC会产生集中 热点,从而发生雪崩击穿,IC骤增。这时候,即使降低VCE也无济于事,高速增 长的热量无法散出,在很短时间内(几微秒甚至几纳秒)便使GTR 被永远地烧 坏。这就是 GTR 的二次击穿现象,它是GTR 最致命的弱点,也是限制GTR 发 展和进一步推广应用的最重要的原因之一。电力晶体管GTR 大多作功率开关使 用,所以,要求它要有足够的容量(高电压、大电流)、适当的增益、较高的工 作速度和较低的功率损耗等。 但由于电力晶体管的功率损耗大、工作电流
14、大, 因 此它存在着诸如基区大注入效应、 基区扩展效应和发射极电流集边效应等特点和 问题。 2.3 功率场效应晶体管( Power MOSFET) 功率场效应晶体管简称功率MOSFET,它是一种以晶体管原理为基础,将微 电子技术的发展成果应用到电力电子领域中的单极型的电压控制器件,不但有自 关断能力,而且有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等 优点。 在这里以 VDMOSFET为例,来大致介绍一下功率MOSFET 的结构和工作理。 P N 漂移层 衬底 漏(D ) 栅(G ) 源(S ) P N NN G D S G S D N 沟道 P 沟道 图 2.3 -1 图 2.3-
15、1(a) 是 VDMOSFET中一个单元的截面图,它是在电阻率很地的重掺杂N+ 衬底上生长一层漂移层N ,该层的厚度和杂质浓度决定了器件的正向阻断能力。 然后在漂移层上再生长一层很薄的栅极氧化物,在氧化物上沉积多晶硅栅极。 在 用光刻法除去一部分氧化物后,进行P 区和 N+源区双区双扩散,并沉积源极电 极。这样,就形成了N沟道增强型功率MOSFET,其电气图形符号如图2.3-1(b) 所示。当漏极接电源正端,源极接电源负端,栅极和源极间电压为零时,P 基区 和 N 漂移区之间形成的PN 结 J1 反偏,漏源极之间无电流流过。如果在栅极和 源极之间加一正电压UGS ,由于栅极是绝缘的,所以并不会
16、有栅极电流流过。但 栅极的正电压却会将其下面P 区中的空穴推开,而将P 区中的少数载流子电子 吸引到栅极下面的P 区表面。当 UGS大于某一电压值 UT 时,栅极下 P 区表面的 电子浓度将超过空穴浓度, 从而使 P 型半导体反型成 N 型半导体而成为反型层, 该反型层形成 N 沟道而使 PN 结 J1 消失,漏极和源极导电。电压UT 称为开启 电压, UGS超过 UT 越多,导电能力越强,漏极电流ID越大。 近年来,各种功率MOSFET 型器件层出不穷。由于它具有开关速度快、输 入阻抗高、 热稳定性好、 可靠性强等优点, 在应用中取代了许多原来为双极型功 率器件所占据的领域。它的工艺特点决定
17、了它能方便地同其他类型的器件相集 成,从而促进了高压功率集成电路HVIC 和智能功率集成电路SPIC 的实现,推 动了电力电子技术的发展。 2.4 绝缘栅双极晶体管( IGBT ) 绝缘栅双极晶体管( Insulate Gate Bipolar Transistor)简称 IGBT,是一 种新型的电力电子器件。它是MOSFET 与 GTR 的复合器件,因此,它既具有 MOSFET 的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点,又 包含了 GTR 的载流量大、阻断电压高等多项优点, 是取代 GTR 的理想开关器件。 从 1986 年至今,尤其是近几年来IGBT 的发展很快,目前已被广
18、泛应用于电视 控制、中频开关电源和逆变器、 机器人、空调器以及要求快速低损耗的许多领域。 现在已经被广泛应用的第三代IGBT 通态压降更低、开关速度更快;集成的智能 型 IGBT 功率模块使用更方便、体积更小、保护更可靠,并省去了驱动电路。 从结构上可以看出, IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区GTR,其 简化等效电路如图2.4-2(a)所示,N 沟道 IGBT 的图形符号如图 2.4-2(b)所示。对 于 P 沟道 IGBT,其图形符号中的箭头防线恰好相反。图中的电阻Rdr是厚基区 GTR 基区内的扩展电阻。 IGBT 是以 GTR 为主导元件, MOSFET 为驱动元件的
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