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1、1,第2章 功率半导体器件、应用基础,(第二讲),2,本章主要内容,2.1开关控制和变换原理 2.1.1开关功率控制 2.1.2 功率变换 2.2器件物理基础与晶闸管的额定值 2.2.1常用开关器件及分类 2.2.2 pnpn器件导通物理过程 2.3 晶闸管的主要特性 2.3.1晶闸管的断态特性 2.3.2晶闸管的通态特性 2.3.3晶闸管的动态特性,3,本节具体内容： 简要介绍开关控制和变换的基本原理,学习要点： 开关控制的基本原理 四种变换形式 开关变换中平均值、有效值、峰值及波形因子的概念,4,2.1开关控制和变换原理,2.1.1 开关功率控制 功率开关是功率控制的基本单元 效率负载上消
2、耗的功率与由电源提供的功率之比,5,2.1.1 开关功率控制, 负载上消耗功率 /总功率RL /(RLRV ),由晶体管控制,6,2.1.1 开关功率控制,开关只有两种状态：开态 断态 负载上的电流： E /RL 0 开关上： 压降0 漏电流 0,7,2.1.1 开关功率控制,如何实现？ 时间比率控制（Time Ratio Control）通过控制开态和断态的时间以调整平均功率 时间比率控制是通过脉宽调制来实现的 PWM（Pulse Width Modulation）,8,重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,2.1.1 开关功率控制,9
3、,正弦波脉宽调制原理,正弦波脉宽调制(SPWM) 等幅矩形脉冲的宽度按正弦规律变化 用等效正弦波的、等幅不等宽的矩形脉宽作为控制器件通、断的依据 通常采用三角波作载波得到PWM控制波形,2.1.1 开关功率控制,10,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,PWM控制的基本思想,11,2.1.1 开关功率控制,直流斩波原理,降压式直流斩波电路（buck chopper）,12,保持开/关的周期T一定，让开的时间Ton慢慢增加,2.1.1 开关功率控制,13,2.1.1 开关功率控制,电压型无源逆变电路,单相半桥逆变电路,14,
4、2.1.1 开关功率控制,电压型无源逆变电路,单相全桥逆变电路,15,单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,ur正半周，V1保持通，V2保持断。 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud 。 当uruc时使V4断，V3通，uo=0 。 ur负半周，请同学们自己分析。,2.1.1 开关功率控制,16,2.1.1 开关功率控制,SPWM是利用三角载波与正弦调制波进行比较得到的，适合于模拟电路。不足是对直流电压利用率低。 空间矢量脉宽调制(SVPWM)：在交流电机调速中提出了实现磁通轨迹控制思想，进而发展产生了电压空间矢量PWM，由于其物理概念清晰，算法简单
5、，适合于数字实现，直流电压利用率高，电压谐波小等优点，得到了广泛应用。,17,2.1.1 开关功率控制,电机最优效率的实现-采用了先进的算法来提高电机的运行性能 解决方案：利用密集的数值计算来提高系统的性能，给定的通量结构下产生最大的力矩。 高性能DSP控制器可以实时完成转子定位和速度计算，而无需进行查表操作； DSP控制器的处理能力使得面向现场的控制(field-oriented control，FOC)成为可能 ； 基于同一种DSP控制器平台的其它产品可以复用这些算法 。,矢量控制智能控制,18,2.1.1 开关功率控制,理想开关的条件：（半导体开关） VoN/E0 ioFF /IL 0
6、tS/T 0 其他：调节范围 动作延迟 信号灵敏 无误动作 寿命长 小型轻量,19,2.1.1开关功率控制,开关的功率损耗,开关内部损耗 p=i.v,ts1从通到断 ts2从断到通,20,2.1.1 开关功率控制,总的平均功耗: P=IL.Von tON/T +E.iOFFtOFF/T +E.IL. 1. ts1/T + E.IL. 2. ts2/T 1 、 2 为开关轨迹决定的系数。 如果近似有P 0，则有RL /(RLRV )100,21,2.1.1 开关功率控制,假定：开关期间的电流、电压为线性变化 V E(1t/tS) iIL.t/tS 则 pS V. i E.IL(1t/tS).t/
7、tS 一周期开通一次的过渡损耗: PS(平均)1/T0tsPSdt(1/6)E.IL.tS /T 此时轨迹系数:1/6,22,2.1.1 开关功率控制,开关轨迹系数,线性 感性负载 理想开关,23,20世纪60年代以前的变换,2.1.2 功率变换,直流变换,24,2.1.2 功率变换,交流电压、频率变换,25,2.1.2 功率变换,基本开关变换电路,三种工况： S1S4导通、S2S3断开，e2=e1 S2S3导通、 S1S4断开，e2= e1 S1S2导通（或S3S4导通） S3S4断开（或S1S2断开） e2=0 （感性负载则回路中有电流）,26,2.1.2 功率变换,交流直流：正变换装置（
8、又称为整流装置） 交流交流：交流功率调整装置 频率变换装置（变频器） 直流交流：逆变换装置（又称逆变器） 直流直流：直流变换装置（间接式；直接式斩波器）,四种变换形式,27,2.1.2 功率变换,正变换,28,2.1.2 功率变换,逆变换,29,2.1.2 功率变换,变频,30,2.1.2 功率变换,额定电流的定义：,各种器件面临不同的应用、不同工况，有不同的定义：直流值，峰值，有效值，可关断值,31,2.1.2 功率变换,允许通过器件的电流 在标准正弦半波下，若延迟角=0，定义有： 通态平均正向电流 IT=1/20IM sint d(t)=IM / 有效值电流(均方根电流) I= IM /2
9、,32,2.1.2 功率变换,任意波形下（非正弦波）电流的平均值、有效值 定义波形因子 Kf = I/ IT 正弦波的Kf = / 2 =1.57 根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦波电流的有效值I 折合成等效的正弦半波电流平均值来选择晶闸管额定值。 非正弦波下允许通过的电流平均值Id I= Id.Kf=1.57 IT 得到： Id1.57 IT / Kf 表明:额定值100的晶闸管只有在全导通情况下才能通过100A的电流,33,2.1.2 功率变换,例：1.求图示电流波形下的电流平均值、有效值及波形系数； 2.选用KP100型器件，不考虑安全裕量，试计算上述电流波形下器件所能承受的平均电流Id,34,2.1.2 功率变换,本节要求掌握的内容： 开关功率控制的基本原理； 开关损耗包括哪几部分、如何减小开关损耗； 功率变换几种形式； 整流电路中的有效值、平均值、峰值的概念以及器件额定值与工况的关系。,35,谢谢！,36,谢谢！,
