电力电子技术教学课件作者龚素文第3章直流斩波电路

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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IPM,3.1.1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

2、、大容量场合中的一种大功率开关器件。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 （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

3、性是元件从断态到通态过程中电流、电压及功耗随时间变化的规律。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 （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 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 （1）可关断晶闸

4、管电极的判定 将万用表置于R10档或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

5、极G悬空，这时晶闸管处于阻断状态，电阻应为无穷大（），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（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 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 (1)静态特性

6、图3-12给出了GTR在共发射极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 (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 (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

7、工作区 （a）正向偏置安全工作区 (b) 反向偏置安全工作区,3.1.3功率场效应晶体管,1功率MOSFET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MOSFET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

8、如图3-18所示。,图3-17 功率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MOSFET 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BUGS 4功率MOSFET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（

9、SSOA）,5功率MOSFET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MOSFET在使用中的静电保护措施 防止静电击穿应注意： 1）器件应

10、存放在抗静电包装袋、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 由结构图可知，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR。其剖面图见图3-21， N沟道IGBT的图形符号如图3-22所示。,图3-21 IGBT结构剖面图 图3-22 N-IGB

11、T图形符号,2IGBT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 IGBT实际结构的等效电路如图3-25所示。 4IGBT的主要参数 （1）集射极击穿电压BUCES （2）开启电压

12、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ICM 5IGBT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）RBSOA,6IGBT对驱动电路的要求 7IGBT容量的选择 8IGBT与MOSFET和GTR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P

13、WM) 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各点波形图(假设电流io从I1变化到I2)

14、。,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） 混合桥

15、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

16、多重斩波电路具有以下特点： （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 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。