第15章全控型电力电子器件及其应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,PPT,文档演模板,Office,PPT,09 十一月 2026,第15章全控型电力电子器件及其应用,第一节,全控电力电子器件,一、电力晶体管(GTR）,二、可关断晶闸管（GTO),三、功率场效应晶体管(Power MOSFET),四、绝缘栅双极晶体管(IGBT),电力电子器件分类1,电力电子 器件,不控型：,功率二极管,半控型：,晶闸管,全控,型,IGBT(绝缘栅双极晶体管),功率 MOSFET（功率场效应晶体管),GTR（电力晶体管）,GTO（可关断晶闸管),全控型电力电子器件分类2,全控型电力电子器件,单极型,（一种载流子参与导电）,双极型,（两种载流子参与导电）,复合型,（由单极性和 双极型复合）,功率 MOSFET（功率场效应晶体管),SIT（静电感应晶体管）,GTR（电力晶体管）,GTO（可关断晶闸管),SITH(静电感应晶闸管）,IGBT(绝缘栅双极晶体管),MCT（MOS控制晶闸管）,GTR的结构,15-1,一、,电力晶体管(GTR）,GTR的工作原理,GTR,电流控制器件,正偏（,I,B,0）时大电流导通,反偏（,I,B,0）时处于截止状态,GTR的系列,单管,达林顿管,达林顿模块,GTR,驱动管,输出管,加速管,续流管,生产水平：1800V，1000A,30KH,Z,15-2,图15-3 GTR模块,GTR的特点,GTR工作在临界饱和状态，一旦施加反向基极电流，器件可迅速关断。,临界饱和,二、,可关断晶闸管（GTO),GTO的结构和等效电路,15-4,GTO的工作原理,GTO 的开通原理：同普通晶闸管,GTO的关断机理：,闭合S，门极加负偏压，,I,C1,被抽走，形成门极负电流-,I,G.,？,GTO和SCR的不同,GTO的内部包含有数百个共阳极的小GTO，这些小GTO称为GTO元。GTO元的阳极是共有的，门极和阴极分别并联在一起。这是实现门极控制关断所采取的特殊设计。,功率MOSFET 结构,15-5,三、,功率场效应晶体管（功率MOSFET),导电沟道形成,I,D,D,G,S,U,GS,1.导通：,U,GS,0，导通,2.关断：,U,GS,0，截止,功率MOSFET 工作原理,四、绝缘栅双极晶体管（IGBT),集MOSFET和GTR的优点于一身。,输入阻抗高，工作速度快，热稳定性好，驱动电路简单。,生产水平：2500V，1000A,IGBT的工作原理,1.导通：,U,GE,U,T,，,导通,U,GE,0，,截止,2.关断：,图15-6 IGBT的等效电路与图形符号,N沟道,U,CE,0且,第二节 变频器的基本概念,一、变频调速的基本原理,二、变频器的分类及结构形式,三、逆变器的基本原理与换流方式,基本概念,变频器：,对交流电动机实现变频调速的装置称为变频器。,变频器的功能,：将电网提供的恒压恒频交流电变换成为变压,变频的交流电，对交流电动机实现无级调速。,变流电路,整流,逆变,不可控整流,可控整流：将交流电变换成可调的直流电,有源逆变：将直流电变成和电网同频率,的交流电，直接送回电网。,无源逆变：,将直流电逆变成某一频率或,可变频率的交流电直接供给,负载使用。,一、变频调速的基本原理,异步电动机的转速表达式,式中，是定子供电频率（H,Z,）；,P,是磁极对数；,s,是转差率；,n,是电动机转速（）。,改变 ，即可改变异步电动机的转速,n,0,，能实现异步电动机的无级调速吗？,问题,事实上只改变 并不能正常调速，因为据电机学知,假设调速时只改变 ，设 ，则 ，于是电磁转矩 ，这样电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转。若调节 ，则 ，会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高。会使定子铁心损耗 急剧增加。这两种情况都是实际运行中所不允许的。,结论,只改变 ，不能实现异步电动机的无级调速,？,实际调速方法,在调节 的同时，调节定子供电电压 的大小，通过 和 的配合，实现不同类型的调频调速。,当,f,1,f,1n,时，对恒转矩负载，都采用电压频率比例调节，低频段加以电压补偿的恒转矩调速方式，即,=常数,式中，是定子供电额定频率；是定子供电额定电压。,当,f,1,f,1n,时，对近似恒功率负载，采用只调节频率,f,1,，而不调节电压 的控制方式，即,二、变频器的分类及结构形式,1.变频器的分类,变频器,交交变频器,交直交,变频器,按无功能量处理方式分,按调压方式分,电压型,电流型,脉冲幅度调制型,脉冲宽度调制型,相位控制调压,直流斩波调压,二、变频器的分类及结构形式,2.变频器的结构形式,图15-7 两种类型的变频器,二、变频器的分类及结构形式,2.变频器的结构形式,图15-8 交直交电压型变频器的结构形式,三、逆变器的基本原理与换流方式,图15-9 单相桥式逆变电路工作原理,当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，反之,把直流电变成了交流电无源逆变。,四个桥臂的切换频率就等于负载电压,u,o,的频率,换流方式,器件换流：器件自身具有的自关断能力进行换流,负载换流：输出电流超前于电压，超前的时间,大于晶闸管的关断时间，,强迫换流：由附加的换流回路产生脉冲，迫使,晶闸管可靠关断。,变频电路的换流方式,第三节 脉宽调制型变频器,一、PWM型变频器的基本工作原理,1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理,2.三相桥式PWM变频电路的工作原理,二、PWM变频电路的调制控制方式,一、PWM型变频器的基本工作原理,PWM基本原理:,对逆变电路中的开关器件的通断进行有规律的控制，使输出端得到等幅不等宽的脉冲列，用这些脉冲列来代替正弦波。,PWM控制的重要理论依据,冲量（脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲（如图15-10所示），分别加在具有惯性环节的输入端，其输出响应波形基本相同。,图15-10 形状不同而冲量相同的各种脉冲,图15-11 PWM型变频器基本原理示意图,PWM,型变频器的基本工作原理,PWM,逆变器的输出电压为等幅不等宽的脉冲列,异步电动机的输入电压,按一定比例改变脉冲列中各脉冲的宽度，即可,改变输入电压 （与输出电压 等效）的幅值。,结论,一、PWM型变频器的基本工作原理,1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理,图15-12 单相桥式PWM变频电路原理图,调制控制：,负载上想得到的正弦波作为调制信号,u,r,，把接受调制的等腰三角波作为载波信号,u,C,。,SPWM：,调制信号,u,r,为正弦波的脉冲宽度调制叫正弦波脉冲宽度调制。,一、PWM型变频器的基本工作原理,1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理,1)单极性PWM控制方式工作原理,电路,图15-13 单极性SPWM调制波形,原理,单极性脉宽调制：,半个周期内载波信号,u,C,是单极性的信号。,原理分析,1）当,u,r,0时，V,1,通，V,2,断，在,u,r,与,u,C,正极性三角波交点处控制V,4,的通断。,在,u,r,u,C,各区间，控制V,4,为通态，则输出电压 ；,在,u,r,u,C,各区间，控制V,4,为断态，则 =0，此时，负载电流可通过VD,3,和V,1,续流。,2）当,u,r,0时，V,2,通，V,1,断，在,u,r,与,u,C,负极性三角波交点处控制V,3,的通断。,在,u,r,u,C,各区间，控制V,3,为通态，则输出电压 ；,在,u,r,u,C,各区间，控制V,3,为断态，则,u,o,=0，此时，负载电流可通过VD,4,和V,2,续流。,电路,波形,一、PWM型变频器的基本工作原理,1.单相桥式PWM型变频电路的工作原理,2)双极性PWM控制方式工作原理,电路,图15-14 双极性SPWM调制波形,双极性脉宽调制：,载波信号,u,C,是双极性的信号。,原理,原理分析,逆变电路的输出的电压,u,o,为两个方向变化等幅不等宽的脉冲列。,控制方法,u,r,u,C,的各区间，V,1,和V,4,导通，V,2,和V,3,关断，则 。,u,r,u,C,的各区间，V,2,和V,3,导通，V,1,和V,4,关断则，。,结果,电路,波形,2.三相桥式PWM变频电路的工作原理,一、PWM型变频器的基本工作原理,图15-15 三相桥式PWM变频电路原理图,波形,原理,三相桥式,PWM,变频电路的,波形,图15-16 双极性SPWM调制波形,电路,原理,原理分析,调制信号,u,r,的幅值和频率,将决定输出电压,u,o,的幅值和频率。,只要 ,u,C,，就导通V,1,，封锁V,4,，；,只要,u,C,，就封锁V,1,，导通V,4,，。,以U相为例，其控制规律为：,重要结论,电路,波形,二、PWM变频电路的调制控制方式,载波比：,在PWM变频电路中，载波频率,f,C,与调制信号频率,f,r,之比。,异步调制控制方式：,控制过程中载波比,N,不是常数。,2.同步调制控制方式:,控制过程中保持,N,为常数。,图15-17 分级同步式控制方案,第四节 直流斩波,一、直流斩波器的控制方式,二、逆导晶闸管直流斩波器,三、GTO（或GTR）直流斩波器,将直流电源的,恒定直流电压,，通过电力电子器件的开关作用，变换成,可调,的,直流电压,的装置，称为直流斩波器。,直流斩波的定义,直流斩波电路原理,U,t,u,i,0,U,t,u,d,0,CH 断,u,d,=0,CH 通,u,d,=U,一、直流斩波器的控制方式,图15-18,定频调宽,调频调宽,定宽调频,二、逆导晶闸管直流斩波器,逆导晶闸管,KN200/100-8,型号,晶闸管额定电流200A,二极管额定电流100A,额定电压800V,特点：正向压降小，关断时间短，高温特性好。无接线分布电感。,符号,等效电路,图15-19 a),逆导型斩波器,图15-19 b),接通,_,+,_,振荡放电,振荡放电,振荡放电波形,图15-20,0,0,i,t,t,-E,E,三、GTO（或GTR）直流斩波器,图15-21,a)电路分析,b)电路分析,图15-21 a),对GTO施加正脉冲时VT导通，直流电源向负载供电；,当给VT门极负脉冲时，GTO便关断，直流电源停止向负载供电，负载电流经续流二极管VD续流。,图15-21 b),该电路主控开关是普通晶闸管VT1，VT2、C是为关断VT1而设的附加电路。,当要关断VT1时，触发VT2导通，与之串联的辅助关断直流电源 给VT1施加反向电压，使VT1关断，之后，再给VT2门极送入负脉冲使VT2关断。,