《12V220V车载逆变电源实用制作技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《12V220V车载逆变电源实用制作技术（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、株洲师范高等专科学校2010届毕业论丈（设计丿12V/220V车载逆变电源实用制作技术系、部：物理与电了工程系学生姓名：周斌指导教师：黄卓冕专 业： 应用电了技术班级：07级应电班学号：042071022010年6月目录第一章绪论1引言3第二章基本概念和工作原理1. 正弦波逆变器主电路的基本形式41.1电压型逆变器41.2电流型逆变器52. 正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理52.1可关断晶体管(GTO) 52.2电力晶体管(GTR) 82.3功率场效应晶体管(Power MOSFET) 102.4绝缘栅双极晶体管(IGBT) 112.5小结13第三章基本电路PWM脉宽调制式逆变器1.
2、PWM脉宽调制技术的概况132. PWM控制的基本原理152.1 PWM控制的基本原理152.2单相桥式PWM逆变电路162.3三相桥式PWM逆变电路18PWM型逆变电路的控制方式193.1异步调制193.2同步调制20SPWM正弦脉宽调制法20SPWM正弦脉宽调制法的概况20SPWM正弦脉宽调制法的应用21SPWM波形的生成方法21PWM型逆变器的主电路25PWM型逆变器的主电路形式25PWM型逆变电路的多重化27.6PWM型逆变电路控制方法的改进286.1梯形波和三角波相比较的方法29ngLiU_HKSCS 线电压控制方式30致谢32结论33参考文献34物理与电子工程系毕业论文第一章绪论1
3、 引言所谓逆变器，是指整流器的逆向变换装置。其作用是通过半导体功率开关器 件(例如GTQGTR功率MOSFET和IGBT等)的开通和关断作用，把直流电 能换成交流电能，它是一种电能变换装置。逆变器，特别是正弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和 UPS电源。逆变器的负载多半是感性负载。为了提高逆变效率，存储在负载电感 中的无功能量应能反馈回电源。因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的 变换器，即它既可以把直流电能传输到交流负载侧，也可以把交流负载中的无功 电能反馈回直流电源。逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。1948年，美国西屋 (Westinghouse)电气公司用汞
4、弧整流器制成了 3000HZ的感应加热用逆变器。1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。1956年，第一只 晶体管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。在这个时 代，逆变器继整流器之后开始发展。首先出现的是SCR电压型逆变器。1961年, W.McMunav与B.D.Bedfoid提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变 器的发展奠定了基础。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并 开始进行研究。1962年，A.Kenuck提出了 “谐波中和消除法”，即后来常用的 “多重叠加法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。1963年，F.GTumbull提出
5、了“消 除特定谐波法”，为后來的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标， 如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继 实用化。80年代以來，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化 的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管Powei MOSFET绝缘门极晶 体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管 MCT,以及MOS晶体管MGT等。这就是、使电力电子技术由传统发展时代进 入到高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷。 特别是脉宽调制波形改善技术得到
6、了飞速的发展。1964年，由A.Schonung和H.Stenmiler提出的、把通信系统调制技术应用到 逆变技术中的正弦波脉宽调制技术(Sinusoida-PWM,简称SPWM),由于当时 开关器件的速度慢而未得到推广。直到1975年才由Bristol大学的S.R.Bowse等 把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广 泛的应用和发展，也使正弦波逆变技术达到了一个新高度。此后，各种不同的 PWM技术相继出现，例如注入三次谐波的PWM、空间相量调制(SVM)、随机 PWM、电流滞环PWM等，成为高速器件逆变器的主导控制方式。至此，正弦 波逆变技术的发展己经基本完善
7、。第二章基本概念和工作原理1 正弦波逆变器主电路的基本形式常用逆变器按照逆变器的直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆 变器和电流型逆变器。1.1电压型逆变器理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定的值而没有脉动，直流电压 波形和电流波形中也不应该产生脉动。而在实际的逆变电路中，因为逆变器的脉 动数等有限制，因而，逆变功率P是脉动的。当逆变器的逆变功率P的脉动波 形由直流电流來体现时，称为电压型逆变器，如图3.1-1所示，直流电源是恒压 源。图 3 . 1 - 1电压型逆变器的特点是：（1）直流侧有较大的直流滤波电容Cd。（2）当负载功率因数变化时，交流输出电压的波形不变，即交流输出电
8、 压波形与负载无关。交流输出电压的波形，通过逆变开关的动作被直流电源电容 上的电压钳位成为方波。（3）在逆变器中，与逆变开关并联有反馈二极管DiD6,所以，交流电 压与负载无关，是方波。（4）输出电流的相位随着负载功率因数的变化而变化。换向是在同桥臂 开关管之间进行的。（5）可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。功率开关器件。正因为GTO的这些优点，近年來，GTO在牵引、高压、大容量 调速、无功补偿等方面获得了广泛得使用。GTO是一种PNPN四层结构的半导体器件，它的结构，等效电路图及图形 符号示于图2.1-1中。o AkA(c)(b)图 2. 1-1图中A、G和K分别表示GTO的
9、阳极，门极和阴极。ai为P1N1P2晶体管的共 基极电流放大系数，a 2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数，图中的箭头表 示各自的多数载流子运动方向。通常ai比Q2小，即P1N1P2晶体管不灵敏，而 N2P2N1晶体管灵敏。GT0导通时器件总的放大系数ai+a2稍大于己于1,器件处 于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。普通晶体管SCR也是PNPN四层结构，外部引出阳极，门极和阴极，构成一个单 元器件。GTO外部同样引出三个电极，但内部却包含着数百个共阳极的小GTO, 一般通常把这些小GTO称为GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，与SCR 不同，GTO是一种多元
10、的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所釆取的 特殊设计。GTO的开通和关断过程与每一个GTO元密切相关，但GTO元的特性乂不 等同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问 题。由图2.1-l(b)中所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加 正触发信号时，GTO导通，其具体过程如下：显然这是一个正反馈过程。当流入的门极电流/G足以使晶体管N2P2N1的发射极 电流增加，进而使P1N2P2晶体管的发射极电流也增加时，当a i+a 21之后，两 个晶体管均饱和导通，GTO则完成了导通过程。可见，GTO开通的条件是a i+a 21(2-1)此时门极的电流/
11、G为(2-2)Ig = 1一( a i+ a 2) /a/ a 22.正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理式中 /aGTO的阳极电流;/G GTO n极注入的电流。由式(2)可知，当GTO门极注入正的/G电流但尚不能满足开通条件时， 虽有正反馈作用，但器件仍不会饱和导通。这是因为门极电流不够大，不满足Q i+Q2l的条件，这时候，阳极电流只流过一个不大而且是确定的电流值。当门 极电流化撤消后，该阳极电流也就消失。与a i+ a 2=1状态所对应的阳极电流为 临界导通电流，定义为GTO的擎住电流。当GTO在门极正触发信号的下开通时, 只有阳极电流大于擎住电流后，GTO才能维持大面积导通。由此
12、可见，只要能引起和变化并使之满足ai+a2l条件的任何因素，都可 以导致PNPN四层器件的导通。所以，除了注入门极电流使GTO导通外，在一 定条件下过高的阳极电压和阳极电压上升率，过高的结温以及火花发光照射等均 可能使GTO触发导通。所有这些非门极触发都是不希望的非正常触发，应釆取 适当措施加以防止。实际上，因为GTO是多元集成结构，数百个以上的GTO元制作在同一硅片 上，而GTO元特性总会存在差异，使得GTO元的电流分布不均，通态压降不一, 其至会在开通过程中造成个别GTO元的损坏，以致引起整个GTO的损坏。为此, 要求在制造时尽可能的使硅片微观结构均匀，工艺装备和工艺过程严格控制，以 求最
13、大限度达到所有GTO元特性的一致性。另外，要提高正向门极触发电流脉 冲上升沿陡度，以求缩短GTO元阳极电流滞后时间、加速GTO元阴极导电面积 的扩展，达到缩短GTO开通时间的目的。GTO开通后可在适当外部条件下关断，其关断电路原理如图2.1-2所示。关 断GTO时，将开关S闭合，门极就施以负偏置电压Eg。晶体管P1N1P2的集电极 电流/ci被抽出形成门极负电流一/G,此时N2P2N1晶体管的基极电流减小，进而 使/C2减小。于是引起/ci的进一步下降，如此循环不己，最终导致GTO的阳极 电流消失而关断。现在，GTO的主要技术方向，仍是大电流、高耐压。这就需要改善元胞特 性，并改善每个元胞及结
14、构的一致性、均匀性。这要从改善元胞的微细化和少子 寿命控制的最佳化入手，控制扩散杂质分布的同时，提高导通特性，从而门极 电路小型化。#物理与电子工程系毕业论文JlciS7B 2.1-2g/Eg 丁Ea由于大容量GTO多是采用压接结构。因此，需要使每个元胞特性均匀一致 的工艺以及均匀一致的压积压，一致的接触电阻。这在工艺上咳采取离子注入法 和压接式结构。压接式结构容易保证接触一致性，避免由合金烧结产生的受热不 均匀以及应力等问题。GTO因为利用了电导调制效应，在关断后有拖尾电流流过。这样，关断损 耗将成为限制其高压下应用的一个主要原因。与晶闸管相比，GTO具有快的关 断速度，高的关断电流容量和大
15、的关断安全工作区。它代表了晶闸管发展的主要 方向。2.2电力晶体管（GTR）电力晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管，由于其功率非常大，所以， 它乂被称作为巨型晶体管，简称GTRo GTR是由三层半导体材料两个PN结组 成的，三层半导体材料的结构形式可以是PNP,也可以是NPN。大多数双极型 功率晶体管是在重掺质的N+硅衬底上，用外延生长法在2上生长一层N漂移层，然 后在漂移层上扩散P基区，接着扩散2发射区，因之称为三重扩散。基极与发射极在 一个平面上做成义指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。GTR分为NPN型和PNP型两类，乂有单管GTR、达林顿式GTR （复合管） 和GTR模块几种形式。单管GTR饱和压降Vces低，开关速度稍快，但是电流增益0小，电流容量 小，驱动功率大，用于较小容量的逆变电路。达林顿式GTR电流增益0值大，电流容量大，驱动功耗小，但饱和压降Vces 较高，关断速度较慢。和单管GTR-样，达林顿式非模块化的GTR在现代逆变 电路中早己不太常用。应用比较广泛的还是GTR模块。它是将
