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1、伺服控制基础知识,伺 服 系 统,第 2 章,编写人：葛翔 上海应用技术学院,内容提要,第一节 电力电子器件的应用 第二节 检测元件,第 2 章,第一节 电力电子器件的应用,第一节 电力电子器件的应用,一、 不可控器件 二极管是一种不可控器件，其在电路中的图形符号和伏安特性如图2-1所示。 二极管在电路中常用VD表示。 从伏安特性可见，当阳极电压大于阴极电压0.7V时二极管导通，当施加反向电压值达到击穿电压时二极管被击穿。 利用二极管具有的单方向导电性，在电路中广泛用作：整流、箝位、隔离和续流。变流电路中用于整流和续流的二极管是功率二极管。,第一节 电力电子器件的应用,V 图2-1 二极管的图
2、形符号和伏安特性,第一节 电力电子器件的应用,二、 半控型器件 (一) 晶闸管(SCR) 1晶闸管的结构和符号 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。 晶闸管是由四层半导体构成的。图2-2(a)所示为螺栓形晶闸管的内部结构，它主要由单晶硅薄片P1，Nl，P2，N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。图2-2 (b)和(c)分别为其示意图和表示符号。,第一节 电力电子器件的应用,1一钢底座 2一钔片 3一铝片 4一金锑合金片 5一金硼钯片 6一硅片 图2-2 晶闸管,第一节 电力电子器件的应用,2晶闸管的工作原理 (1)起始时若
3、控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。 (2)晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。 (3)在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值(或断开，或反向)。所以说晶闸管是控制导通而不控制关断的半控器件。 晶闸管的PN结可通过几十至几百安的电流，因此它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极问的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻RL上。,第一节 电力电子器件的应用,3晶闸
4、管的伏安特性 晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图2-3所示。 晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时，在晶闸管控制极开路(Ig=0)情况下，开始元件中有很小的电流(称为正向漏电流)流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态(称为正向阻断状态)，简称断态。 当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态，简称通态。 阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压(UDSM)，或称正向转折电压(UBo)。导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻(使用时由负载)决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时，阳极电流随之减小，当阳极电流小于维持电流时，晶闸管
5、便从导通状态转化为阻断状态。,第一节 电力电子器件的应用,图2-3 晶闸管的伏安特性曲线,第一节 电力电子器件的应用,在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。 当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压(URsM)，或称反向转折(击穿)电压(UBR)。 可见，晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。,第一节 电力电子器件的应用,(二) 双向晶闸管TRIAC 双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件(Bidirectional Triode Thyristor)，它和单向晶闸的区别是： 第一，它在触发之
6、后是双向导通的； 第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单间晶闸管反向并联组成。双向晶闸管的内部结构原理及表示符号如图2-4所示。,第一节 电力电子器件的应用,图2-4 双向晶闸管内部结构 图2-5 双向晶闸管的伏安特性,第一节 电力电子器件的应用,双向晶闸管在触发之后。主电路的电流可双向流过；而在控制触发方面，双向晶闸管也具有双向性，故双向晶闸管在触发时有四种触发方式： 第一象限触发：MT2+，G+。这时对于参考电极MTl而言，电极MT2的电压为正；门极G的触发电流为正。 第二象限触发：MT2+，G-。这时电极MT2的电压为正；门极G触发
7、电流为负。 第三象限触发：MT2-，G-。这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为负。 第四象限触发：MT2-，G+。这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为正。,第一节 电力电子器件的应用,绝大多数双向晶闸管的最高触发灵敏度在第一、三象限。触发灵敏度较差的是第二象限。 最差的是第四象限。所以，一般不采用第四象限的触发方式。,第一节 电力电子器件的应用,双向晶闸管的特性如图2-5所示。很明显，这个特性和单向晶闸管的正向特性有点相近；只不过多了一个完全相同的反向特性而已，可见双向晶闸管具有双向导通及控制的性质。 图2-5中给出的是第一、三象限的伏安特性，在这两个象限中，双向晶闸管能够实现最可
8、靠触发导通。而第二、四象限一般是不用于触发工作。 双向晶闸管可以用作固态继电器、过零开关等。作为交流开关它有很广泛的应用。,第一节 电力电子器件的应用,三、 全控型器件 变频调速技术的发展同现代功率开关器件的研制与发展是密切相关的。由于晶闸管(SCR)和双向晶闸管（TRIAC）元件不具备自关断能力，且开关速度低，限制了常规晶闸管变频器的性能与应用范围。80年代以来，各种具备自关断能力的全控型、高速型功率集成器件不断研制成功，使得变频器技术跨人了电力电子技术的新时代。这些器件有：可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、功率场控晶体管SIT、静电感应晶闸管(SITH)，MOS晶闸管MCT及MOS晶体
9、管MGT等。这些现代功率开关的问世，使电力电子技术由顺变时代走入今天的逆变时代，各种各样的PWM变频电路在新型功率开关器件的支持下进人了机电一体化的实用领域。,第一节 电力电子器件的应用,全控型器件即具备自关断能力的半导体器件，可分为三大类型：双极型、单极型和混合型。各种全控型器件的符号及等效电路见表2-1。 表2-2-1 全控型器件等效电路表,第一节 电力电子器件的应用,第一节 电力电子器件的应用,(一) 双极型器件 双极型器件指器件内部电子和空穴两种载流于参与导电的半导体器件。 1.可关断晶闸管GTO(GateTurn-off Thyristor) （1） 可关断晶闸管简介 可关断晶闸管也
10、称门极可关断晶闸管，是一种高电压大电流双极型全控器件。目前最大容量为5000V、4500A和9000V、1000A，工作频率一般12kHz。主要缺点是：门极反向关断电流大，开关缓冲电路要消耗一定能量且需要快速恢复二极管、无感电阻、无感电容等器件。,第一节 电力电子器件的应用,其主要优势在于GTO是四层器件，具有开关频率较高，不需要辅助转流电路和开关容量等，其性能介于普通晶闸管SCR和大功率晶体管之间，在电压和电流方面均有充分发展的空间，在高电压大电流领域将取代传统晶闸管。故而大功率应用中是一种较受欢迎的器件。 GTO器件早在60年代就研制出来了，不过它的广泛应用还是近几年的事。它的最大特点是可
11、以通过门极信号控制其阳阴极之间的导通和关断。 GTO的内部结构和开关控制原理可以如图2-6所示。,第一节 电力电子器件的应用,图2-6 门极可关断晶闸管GTO的结构及图形符号,第一节 电力电子器件的应用,（2）双电源门极电路 此电路用于三相GTO逆变器，GTO的额定参数为200A，600V。全部电路由门极导通、门极关断和反偏电路三部分组成。 图2-7给出一种双电源门极驱动电路。 （3）脉冲变压器门极电路 脉冲变压器门极电路可提供较大的门极负电流，使用中应注意脉冲变压器的漏抗以及传送脉冲的宽度。尽量采用高频脉冲列触发，以便减小体积。 图2-8为600A GTO的门极开通和门极关断电路都利用脉冲变
12、压器的一个实例。,第一节 电力电子器件的应用,图2-9是一种互为反偏的开通门极电路，它适用于逆变器的上下桥臂触发电路。 由于采用脉冲变压器时，存在着电流上升率的问题。而采用电容器放电方式则需要容量大的电容器，这样会使充电电路大型化。 于是又有如图2-10所示的两种电路并用的电路方式。 综上所述，不同容量的GTO有不同的门极驱动电路，尤其是大容量GTO的门极电路也各具特色，。,第一节 电力电子器件的应用,图2-7 双电源门极电路例二 图2-8 脉冲变压器双信号驱动门极电路,第一节 电力电子器件的应用,图2-9 互为反偏的门极电路 图2-10 电容贮能式脉冲变压器的门极电路,第一节 电力电子器件的
13、应用,2. 电力晶体管GTR(GiantTransistor) (1) 电力晶体管的特性 电力晶体管又称功率晶体管也称巨型晶体管(Giant Transistor，简称GTR)，这是一种双极型大功率高反压晶体管。它具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。 近年来，由于GTR实现了高频化，模块化、廉价化，因此被广泛用于交流电机调速、不停电电源和中频电源等电力变流装置中，并且将在中小功率应用方面取代传统的晶闸管。例如在交流电机调速中，电压源型SPWM晶体管逆变器将在600kVA以下的容量范围中占主导地位。,第一节 电力电子器件的应用,功率晶体管具有控制方便，开关时间短，高频
14、特性好，通态压降较低等优点。目前最大容量为400A、1200V，耗散功率已达3kW以上。工作频率可达5kHz，在500kW以下的应用场合竞争力极强。其主要缺点是存在局部过热引起的二次击穿现象，且由于GTR是三层结构的双极型器件，其电压难以超过1500V。 目前常用的GTR器件有单管达林顿管和达林顿模块三大系列。,第一节 电力电子器件的应用,(2) 达林顿GTR与GTR模块 GTR的达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式，这种结构可用最少的元件得到较高的电流增益。达林顿结构由两个或多个晶体管复合组成，其等效电路如图2-11所示。 图2-11(a)为两个NPN晶体管构成的达林顿GTR，图 2-11
15、(b)为由PNP和NPN晶体管构成的达林顿GTR，图2-11(c)为接有稳定电阻的达林顿GTR。图中T1真为驱动管，T2为输出管。常用的达林顿GTR图形符号有两种，如图2-11(d)所示。,第一节 电力电子器件的应用,图2-11 达林顿GTR的结构与图形符号,第一节 电力电子器件的应用,目前各类应用中广泛采用的是GTR模块，它将GTR管芯、续流二极管管芯以及加速二极管等组装成一个单元，然后根据用途将几个单元电路组装在一个外壳内。 现在已发展为将上述单元电路集成制作在同一硅片上，从而向GTR集成化模块又前进了一步。这样不仅使器件小型轻量化，而且使性价比大大提高。 图2-12示出了由两只三级达林顿
16、GTR及其辅助元件构成的单臂桥式电路模块的等效电路。,第一节 电力电子器件的应用,图2-12 GTR模块的等效电路,第一节 电力电子器件的应用,(3) 基极驱动电路 基极驱动电路直接影响着GTR的工作状况，因此在设计基极驱动电路时应考虑以下三点：最优化驱动、驱动方式和自动快速保护。 1)最优化驱动 所谓最优化驱动就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程，以便提高开关速度。减小开关损耗，理想的基极驱动电流波形如图2-13所示。,第一节 电力电子器件的应用,图2-13 理想的基极驱动电流波形,第一节 电力电子器件的应用,2)驱动方式 GTR基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。直接驱动方式指驱动电路与主电路之间直接连接，而隔离驱动方式则是指驱动控制电路与主电路间没有电的联系，驱动信号是通过隔离元件间接传送的。 直接驱动方式的三种基本电路示于图2-14中。其中图2-14(a)为简单基极驱动电路；图2-14(b)为双极性推拉式基极驱动电路；图2-14(c)为抗饱和式双极性推拉式基极驱动电路。后两种电路都是改进形式，目的是为了获得近于
