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1、24828d,第4章 交流伺服系统的功率变换电路,4.1 交流伺服系统功率变换主电路的构成 4.2 功率开关器件 4.3 功率变换主电路的设计 4.4 PWM控制技术,24828d,4.1 交流伺服系统功率变换主电路的构成,1.整流电路 2.滤波电路 3.逆变电路 4.缓冲电路 5.制动电路,24828d,4.1 交流伺服系统功率变换主电路的构成,图4-1 功率变换主电路,24828d,4.2 功率开关器件,4.2.1 功率晶体管(GTR) 4.2.2 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 4.2.3 绝缘栅双极型晶体管(IGBT),24828d,4.2.1 功率晶体管(GTR),1.
2、 GTR的结构与工作原理 2. GTR的静态性能 3. GTR的动态性能和动态参数 4. GTR的极限参数和安全工作区 5. GTR的驱动电路,24828d,4.2.1 功率晶体管(GTR),图4-2 GTR的结构与电气图形符号 a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号,24828d,1. GTR的结构与工作原理,GTR的结构和工作原理都与小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率晶体管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。但是GTR的集电极可以通过很大的电流，集电极与发射极之间可以承受很高的电压，并且在实际应用中GTR经常工作在开关状态。GTR的电
3、流放大倍数一般都很小，为提高电流增益，GTR产品经常将几级达林顿连接封装在一个管壳中。图4-2为GTR的结构与电气图形符号。,24828d,2. GTR的静态性能,图4-3为GTR共射极输出特性曲线，当输入不同的基极电流IB时，就可以得到一组集电极输出电流IC与集电极-发射极电压UCE关系的特性曲线。该曲线族大致可划分为放大区、饱和区、截止区，GTR主要工作在截止区和饱和区。,24828d,3. GTR的动态性能和动态参数,4-3.TIF,24828d,3. GTR的动态性能和动态参数,4-4.TIF,24828d,4. GTR的极限参数和安全工作区,(1) GTR的极限参数 (2)二次击穿和
4、安全工作区,24828d,图4-5 二次击穿特性,24828d,图4-6 GTR的安全工作区 a)正向SOA b)反向SOA,24828d,5. GTR的驱动电路,(1)导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗。 (2) GTR导通期，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。 (3)在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关断损耗。 (4)应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。,24828d,5. GTR的驱动电路,图4-7 推挽式GTR驱动电路,24828d,图
5、4-8 典型推挽式GTR驱动电路,24828d,图4-9 变压器正反馈驱动电路及波形 a)驱动电路 b)波形,24828d,4.2.2 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),1.功率MOSFET的结构与工作原理 2.功率MOSFET的特性,24828d,1.功率MOSFET的结构与工作原理,(1)功率MOSFET的结构 (2)功率MOSFET的工作原理,24828d,(1)功率MOSFET的结构,功率MOSFET的内部结构、等效电路和电气图形符号如图4-10所示。其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOSFET相同，但结构上有较大区别，小功率M
6、OSFET是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(Vertical MOSFET)。VMOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积、提高电流密度和耐压。,24828d,(2)功率MOSFET的工作原理,图4-10 功率MOSFET的结构、等效电路和电气图形符号 a)内部结构断面示意图 b)等效电路 c)电气图形符号,24828d,2.功率MOSFET的特性,(1)转移特性 (2)输出特性 (3)动态特性 (4) MOSFET的安全工作区 (5)功率MOSFET的驱动电路,248
7、28d,图4-11 MOSFET的特性曲线 a)转移特性 b)输出特性,24828d,图4-12 MOSFET的动态特性,24828d,图4-13 MOSFET的安全工作区,24828d,4.2.3 绝缘栅双极型晶体管(IGBT),1. IGBT的基本结构与工作原理 2. IGBT的静态特性 3. IGBT的动态特性 4.擎住效应和安全工作区 5. IGBT驱动电路的设计,24828d,1. IGBT的基本结构与工作原理,(1) IGBT的基本结构 (2) IGBT的工作原理,24828d,图4-20 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)结构 b)简化等效电路 c)电气图形符号,2
8、4828d,2. IGBT的静态特性,(1)转移特性 (2)输出特性,24828d,图4-21 IGBT的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性,24828d,3. IGBT的动态特性,图4-22 IGBT的动态特性,24828d,4.擎住效应和安全工作区,4-23.TIF,24828d,4.擎住效应和安全工作区,4-24.TIF,24828d,5. IGBT驱动电路的设计,1)驱动电路必须可靠，保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。 2)用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。 3)驱动电
9、路中的正偏压应为1215V，负偏压应为-2-10V。 4)驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。 5)驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。 6)若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。 (1) EXB840(841)驱动器 (2) SCALE驱动器,24828d,图4-25 有正负偏压的IGBT直接驱动电路,24828d,图4-26 光电耦合隔离驱动电路,24828d,图4-27 EXB840(841)内部电路图,24828d,图4-28 XB841集成驱动电路,24828d,图4-29 SC
10、ALE驱动器内部结构框图,24828d,图4-30 SCALE驱动器连接图,24828d,4.3 功率变换主电路的设计,4.3.1 逆变电路的设计 4.3.2 缓冲电路的设计 4.3.3 整流电路的设计 4.3.4 滤波电路的设计 4.3.5 制动电路的设计,24828d,4.3.1 逆变电路的设计,(1)电压与电流额定值的确定 (2) 正弦波PWM逆变电路开关器件损耗的计算,24828d,(1)电压与电流额定值的确定,表4-1 输入电压和器件额定电压关系,(2) 正弦波PWM逆变电路开关器件损耗的计算,24828d,4.3.2 缓冲电路的设计,1.分体式缓冲电路 2.整体式缓冲电路,2482
11、8d,1.分体式缓冲电路,(1) RC缓冲电路 (2)放电阻止型RCD缓冲电路 (3)充放电型RCD缓冲电路,24828d,1.分体式缓冲电路,4M31.TIF,24828d,2.整体式缓冲电路,(1) C缓冲电路 (2) RCD缓冲电路 (3)组合式缓冲电路,24828d,2.整体式缓冲电路,图4-32 整体式缓冲电路 a) C缓冲电路 b) RCD缓冲电路 c)组合式缓冲电路,24828d,4.3.3 整流电路的设计,整流电路可按照以下几种方法分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控整流电路；按电路结构可分为桥式整流电路和零式整流电路；按交流输入相数分为单相整流电路和多相整流电路。交流伺
12、服系统中最为常用的整流电路是单相桥式不可控整流电路和三相桥式不可控整流电路，二者分别应用于小功率伺服系统和大功率伺服系统中。,24828d,4.3.4 滤波电路的设计,在电压型逆变电路中，滤波元件主要采用电解电容。由于电解电容存在寿命问题，在设计采用电解电容的滤波电路时，要准确计算电解电容的容量。否则若容量设计得过大，既增加了逆变电路的成本，又增大了逆变电路的体积；若容量设计得过小，则会提高电容的温升，缩短电容的寿命，而且还会影响逆变电路的性能。,24828d,4.4 PWM控制技术,4.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)控制技术 4.4.2 电流跟踪型PWM控制技术 4.4.3 电压空间矢量
13、PWM控制技术,24828d,4.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)控制技术,1.正弦波脉宽调制原理 2. PWM型逆变电路的控制方式,24828d,1.正弦波脉宽调制原理,图4-33 PWM控制原理示意图,24828d,1.正弦波脉宽调制原理,图4-34 电压型单相桥式PWM逆变电路,24828d,1.正弦波脉宽调制原理,图4-35 单极性PWM控制原理,24828d,1.正弦波脉宽调制原理,图4-36 双极性PWM控制波形,24828d,1.正弦波脉宽调制原理,图4-37 三相桥式PWM逆变电路与波形 a)电路 b)波形,24828d,2. PWM型逆变电路的控制方式,1)异步调制 2)同
14、步调制 3)分段同步调制,24828d,图4-38 同步调制三相PWM波形,24828d,4.4.2 电流跟踪型PWM控制技术,(1)电流滞环跟踪控制型 (2)固定开关频率型,24828d,(1)电流滞环跟踪控制型,1) fT与滞环宽度iU成反比，滞环越宽，fT越低。 2)逆变电路电源电压Ud越高，负载电流上升(或下降)的速度越快，iU达到滞环上限或下限的时间越短，因而fT随Ud值增大而增大。 3)电机电感L值越大，电流的变化率越小，iU达到滞环上限或下限的时间越长，因而fT越小。 4) fT与参考电流i*的变化率有关，di*/dt越大，fT越小；越接近i*的峰值，di*/dt越小，而PWM脉
15、宽越小，即fT越大。,24828d,(1)电流滞环跟踪控制型,图4-39 电流滞环跟踪控制型PWM 逆变电路及电流控制原理,24828d,(1)电流滞环跟踪控制型,图4-40 电流滞环跟踪控制时 的电流波形与PWM电压波形,24828d,(2)固定开关频率型,图4-41 固定开关频率型电流 跟踪PWM逆变电路(单相),24828d,4.4.3 电压空间矢量PWM控制技术,(1)空间矢量SVPWM的基本概念 (2)基本电压空间矢量 (3)磁链轨迹的控制 (4) t1、t2和t0的计算 (5)扇区号的确定,24828d,4.4.3 电压空间矢量PWM控制技术,图4-42 电压空间矢量,24828d,图4-43 三相电压型逆变电路,24828d,表4-2 开关状态与相电压和线电压的对应关系,24828d,图4-44 基本电压空间矢量,24828d,表4-3 开关状态与相电压在坐标系的分量的对应关系,24828d,表4-3 开关状态与相电压在坐标系的分量的对应关系,24828d,图4-45 正六边形磁链轨迹,24828d,图4-46 电压空间 矢量的线性组合,24828d,图4-47 第1扇区SVPWM波形,
