1、学习目标学习目标u掌握变频电路中常用电力电子器件的基本工作原理u了解变频电路的概念和分类u能够独立完成典型变频电路工作过程的分析u掌握PWM控制技术的原理及典型电路的工作过程技能目标技能目标u独立完成大功率晶体管和绝缘栅双极型晶体管的性能测试u在实验装置中能够正确完成典型变频电路的接线u对变频电路的输出波形进行观察和测量，并记录实验数据进行分析【任务一】大功率晶体管【任务一】大功率晶体管（GTR）学习目标学习目标u掌握大功率晶体管的结构、符号及工作原理u了解大功率晶体管的优缺点及应用技能目标技能目标u认识GTR的外形和引脚u对GTR的导通和截止条件进行验证 大功率晶体管又可称为电力晶体管（Gi
2、ant Transistor，GTR），它是一种耐高压、大电流的双极型晶体管，其耗散功率（或输出功率）通常在1W以上。GTR的电气图形符号与普通晶体管相同，也是一种全控型电力电子器件，它具有控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。GTR的三个发展阶段：双极单个晶体管 达林顿管和GTR GTR模块一、一、GTR的结构及其工作原理的结构及其工作原理图2-1-1 GTR的结构、电气符号和内部载流子的的运动二、二、GTR的特性的特性1GTR共发射极电路输的出特性（1）在截止区：IB 0（或IB=0），UBE 0，UBC 0，UBC 0，UBC 0，但是IC和IB之间不再呈线性关系，电流增益开
3、始减小，输出特性曲线开始弯曲。（4）在深饱和区：此时UBE 0，UBC 0，IB变化时IC不再改变，管压降UCE很小，可近似认为等于零，等效于理想开关的导通状态。2GTR的开关特性（1）开通时间（Ton）（2）关断时间（Toff）图2-1-2 共发射极电路的输出特性曲线图2-1-3 GTR的开关特性曲线三、三、GTR的主要参数的主要参数1电压参数（1）最高电压额定值（2）饱和压降UCES2电流参数（1）集电极连续直流电流额定值IC（2）集电极最大电流额定值ICM（3）基极电流最大允许值IBM3其他参数（1）最高结温TjM（2）最大额定功耗PCM4二次击穿与安全工作区四、GTR的驱动和保护电路1
4、 GTR驱动电路的设计要求 设计基极驱动电路必须考虑的3个方面：优化驱动特性、驱动方式和自动快速保护功能。（1）优化驱动特性 优化驱动特性就是以理想的基极驱动电流波形去控制器件的开关过程，保证较高的开关速度，减少开关损耗。优化的基极驱动电流波形与GTO门极驱动电流波形相似。（2）驱动方式 驱动方式按不同的情况有不同的分类方法。在此处，驱动方式是指驱动电路与主电路之间的连接方式，它有直接和隔离两种驱动方式：直接驱动方式分为简单驱动、推挽驱动和抗饱驱动等形式；隔离驱动方式分为光电隔离和电磁隔离形式。（3）自动快速保护功能 在故障情况下，为了实现快速自动切断基极驱动信号以免GTR遭到损坏，必须采用快
5、速保护措施。保护的类型一般有抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热和脉冲限制等。2典型基极驱动电路 GTR的基极驱动电路有恒流驱动电路、抗饱和驱动电路、固定反偏互补驱动电路、比例驱动电路、集成化驱动电路等多种形式。3双电源分立元件驱动电路图2-1-7 光电隔离驱动电路4 GTR保护电路（1）电流保护、电流变化率di/dt的限制。（2）GTR的过电流保护5集成GTR驱动电路【任务二任务二】绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）学习目标学习目标u掌握绝缘栅双极型晶体管的结构、符号及工作原理u了解绝缘栅双极型晶体管的优缺点及应用技能目标技能目标u认识IGBT的外形和引脚u对IGBT的
6、导通和截止条件进行验证 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），它将功率MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态压降低、耐高压和承受电流大等优点。目前IGBT的产品已经系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHz。IGBT在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域中得到了广泛的应用。随着IGBT的生产水平进一步向高电压、大电流方向发展，可以预料它不仅在低压高频应用领域，而且在高压、大电流场合都会逐渐接近GTO的水
7、平而获得极为广泛的应用。一、一、IGBT的结构及其工作原理的结构及其工作原理1IGBT的结构 2-2-1 IGBT的结构、等效电路和电气符号2 IGBT的工作原理 IGBT也属于场控型器件，其驱动方法和MOSFET基本相同，相当于一个由P-MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图2.2.1（b）所示。如果集电极C接电源正极，发射极E接电源负极，则它的导通和关断由栅极电压UGE来控制。当栅极施以正向电压UGE，且UGE大于开启电压UGE（TH）时，P-MOSFET栅极下形成导电沟道，为等效PNP型GTR提供基极电流，使IGBT导通。此时，从P+区注入到N层的空穴（少子）对N层进行电导调
8、制，减小了N层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，当栅极施以负电压UGE时，P-MOSFET内的沟道消失，PNP型GTR流过反向基极电流，使IGBT关断。二、二、IGBT的工作特性与主要参数的工作特性与主要参数1IGBT的伏安特性和转移特性 2-2-2 IGBT的伏安特性和转移特性2IGBT的开关特性 2-2-3 IGBT的开关特性3 IGBT的主要参数（1）最大集电极-发射极间电压UCEM（2）开启电压UGE(th)（3）最大栅极-发射极电压UGEM（4）通态压降UCE(on)（
9、5）集电极电流最大值ICM（6）最大集电极功耗PCM（7）输入阻抗（8）最高允许结温TJM 三、三、IGBT的安全工作区的安全工作区四、四、IGBT的栅极驱动电路及其保护的栅极驱动电路及其保护 2-2-5 IGBT的安全工作区【任务三任务三】变频电路的作用、原理和换流方式变频电路的作用、原理和换流方式学习目标学习目标u明确变频电路的定义及作用u了解变频电路的种类和基本工作过程技能目标技能目标u熟知不同换流方式的特点和使用范围u对交-直-交和交-交变频电路的工作原理进行分析和比较 目前常用的电源有两种，即工频交流电源和直流电源，这两种电源的频率都固定不变。但在实际的生产实践中，往往需要各种不同频
10、率的交流电源，可以通过变频电路即利用晶闸管或者其他电力电子器件，将工频交流电或直流电变换成各种所需频率的交流电提供给负栽，有时称这种电路为无源逆变电路。本章将结合实际电路介绍主要变频电路的工作原理及其电路形式。一、一、变频电路的作用变频电路的作用 在现代化生产中需要各种频率的交流电源，变频器的作用就是把工频交流电或直流电变换成频率可调的交流电供给负载，如：（1）标准50Hz电源，用于人造卫星、大型计算机等特殊要求的电源设备，对其频率、电压波形与幅值及电网干扰等参数，均有很高的精度要求。（2）不间断电源(UPS)，平时电网对蓄电池充电，当电网发生故障停电时，将蓄电池的 直流电逆变成50Hz交流电
11、，对设备进行临时供电。（3）中频装置，广泛用于金属冶炼、感应加热及机械零件淬火。（4）变频调速，用三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行变频调速。二、二、变频电路的分类变频电路的分类 变频电路的核心部分就是无源逆变电路，即我们常说的变频器，根据不同的特点有不同的分类方法。1根据输入直流电源的特点分（1）电压型：电压型逆变器的输入端并接有大电容，输入直流电源作为恒压源。（2）电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源作为恒流源。2根据电路的结构特点分（1）半桥式逆变器（2）全桥式逆变器（3）推挽式逆变器3根据负载的特点分（1）谐振式逆变器（2）非
12、谐振式逆变器4根据变频过程分（1）交-交变频器，由固定的交流电直接转换成交流电的过程，也叫直接变频（2）交-直-交变频器，先将交流电整流成直流电，再将直流电转换成交流电的过程，也称间接变频。三、三、变频电路的工作原理变频电路的工作原理 变频电路种类繁多，依据变频的过程可分为两大类。一类为交-直-交变频，另一类为交-交变频，下面我们用单相变频电路分别来说明其工作原理。1.单相交-直-交变频电路2-3-1 单相桥式变频电路及输出电压波形图2.单相交-交变频电路2-3-2 单相交-交变频电路及输出电压的波形图（控制角不变）2-3-3 单相交-交变频电路及输出电压的波形图（控制角变化）3.两种变频电路
13、的比较 三相交-交变频电路所需的元器件数量较多，控制复杂，低压时功率因数低，输出频率受电网频率的限制。但是因为只有一次变流，且利用电网电源进行换流，不需要另接换流元件，提高了变流效率，并且低频时输出波形接近正弦波。由于上述特点，因此交-交变频电路主要用于500kW或1000kW以上，转速在 600 r/min以下的大功率、低转速的交流调速装置中，目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧钢机主传动装置中获得较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。交-直-交变频电路所需的元器件数量较少，控制简单，采用SPWM控制，功率因数高，输出频率不受电网频率的限制，特别是在高频下
14、效率更高。所以交-直-交变频电路主要用于金属熔炼、感应加热的中频电源装置，可将蓄电池的直流电变换为50Hz交流电的不停电电源、变频变压电源（VVVF）和恒频恒压电源等。二、变频电路的换流方式二、变频电路的换流方式 在变频电路工作过程中，电流从一个支路向另外一个支路转移的过程称为换流（也称为换相）。换流能否成功是变频电路能否正常工作的关键，因此研究换流方式是十分重要的。1器件换流（Device Commutation）2负载换流（Load Commutation）3强迫换流（Forced Commutation）4电网换流（Line Commutation）【任务四任务四】谐振式变频电路谐振式变
15、频电路学习目标学习目标u理解谐振式变频电路的基本工作原理u能够分析并联与串联式谐振电路的工作过程技能目标技能目标u并联谐振式变频电路的过程分析u串联谐振式变频电路的过程分析 在晶闸管变频电路中，晶闸管的换流方式是电路的重要内容，利用电容性负载电路的谐振来实现换流的电路称为谐振式变频电路。如果换流电容与负载并联，换流是基于并联谐振的原理，则称为并联谐振式变频电路。它广泛应用于金属冶炼、加热、中频淬火等场合。如果换流电容与负载串联，换流是基于串联谐振的原理，则称为串联谐振式变频电路。适用于高频淬火、弯管等场合，由于它们不用附加专门的换流电路，因此应用较为广泛。一、并联谐振式变频电路一、并联谐振式变
16、频电路 2-4-1 并联谐振式变频电路2-4-2 变频器工作时晶闸管的换流过程2-4-3 并联谐振式变频电路工作波形二、串联谐振式变频电路二、串联谐振式变频电路 在变频电路的直流侧并联一个大电容C，用电容储能来缓冲电源和负载之间的无功功率传输。从直流输出端看，电源因并联大电容，其等效阻抗变得很小，大电容又使电源电压稳定，因此具有恒压源特点，变频电路输出电压接近矩形波，这种变频电路又被称为电压型变频电路。2-4-4 IGBT的结构和电气符号2-4-5 串联谐振式变频电路工作波形【任务五任务五】三相变频电路三相变频电路学习目标学习目标u了解三相变频电路的分类u能够独立分析三相变频电路的工作原理和波
17、形技能目标技能目标u通过特点能够区分电压型与电流型三相变频电路u熟练掌握典型三相变频电路的工作方式一、电压型三相变频电路一、电压型三相变频电路 1电压型三相桥式变频电路2-5-1 电压型三相桥式变频电路2-5-2 电压型三相桥式变频电路输出波形2三相串联电感式变频电路2-5-3 三相串联电感式逆变电路图3电压型变频电路的主要特点（1）直流侧并接有大电容，相当于恒压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。（2）由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。（3）当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，
18、直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了续流二极管。（4）变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。（5）当变频电路的负载是电动机时，如果电动机工作在回馈制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给电路再反并联一套变频桥，这将使电路变得复杂。二、电流型三相变频电路二、电流型三相变频电路1电流型三相变频电路的工作原理2-5-5 电流型三相桥式变频电路原理图2电流型变频电路的主要特点（1）直流侧串接有大电感，相当于恒流源，直流电流基本无脉
19、动，直流回路呈现高阻抗状态。（2）由于各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反向并联二极管。（4）当变频电路的负载为电动机时，若变频电路中的交-直变换是可控整流时，则可很方便地实现回馈制动，不需另加一套变频桥。【任务六任务六】交交-交变频电路交变频电路学习目标学习目标u了解交-交变频电路的基本过程u类比交-交变频与交-直-交变频的技能目标技能目标u可分析典型的交-交变频电路u能够独立分析变频电路各组晶闸管的导通与关断过程u深刻掌握交-交变频电
20、路的控制方法一、方波型交一、方波型交-交变频电路交变频电路1单相负载2三相负载2-6-1 三相方波型交交变频电路2-6-2 变频电路各组导通次序二、正弦波型交二、正弦波型交-交变频电路交变频电路2-6-5 正组桥输出电压波形【任务七任务七】脉冲宽度调制变频电路脉冲宽度调制变频电路学习目标学习目标u对比PWM控制技术与传统控制技术的不同u可分析典型PWM控制电路的工作过程，并画出输出波形技能目标技能目标u对单极性与双极性PWM变频电路分别进行分析，对比输出波形的区别u可独立完成三相SPWM电路输出波形的分析与绘制一、脉宽调制变频电路概述一、脉宽调制变频电路概述1脉宽调制变频电路的基本工作原理2-
21、7-1 单相桥式PWM变频电路的主电路2-7-2 单相桥式PWM变频电路的几种电压输出波形2脉宽调制的控制方式 PWM控制方式就是对变频电路开关器件的通断进行控制，使主电路输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。从理论上讲，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。然后按照计算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的波形。但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波调制的办法来确定各矩形脉冲的宽度和个数。二、单极性二、单极性PWM变频电路变频电路2-7-3 单极性PWM控制SPWM波形三、双极性三、双极性PWM变频电路变频电路2-7-4 双极性PWM控制SPWM波形四、三相桥式四、三相桥式PWM变频电路变频电路2-7-5 电压型三相桥式PWM变频电路2-7-6 三相正弦波脉宽调制波形（1）U相：当urU uc时，使VT1导通，VT4关断，uU=Ud；当urU uc时，使VT3导通，VT6关断，uV=Ud；当urV uc时，使VT5导通，VT2关断，uW=Ud；当urW uc时，使VT5关断，VT2导通，uW=Ud。VT5、VT2的驱动信号始终互补。
