廊坊职业技术学院教案首页 课程名称变频器应用技术 班级高职04自1班 计划课时2 周次|1 授课方法讲授 教具尺 教学内容 §1基础知识 教学目的复习电力电子器件:属理 3.掌握变频器各组成部分及其功能 4.了解变频器分类 重点、难点 1.逆变电路的变压变频原理 2.制动的原理 复习提问 1.三相异步电动机在变频的同时须变压的原因 作业 习题:1-15、1-16、1-17 1.常见IGBT等电力电子器件结构和特性的介绍 2.SPWM逆变电路的变压变频原理 课后小结 3.变频器的组成、分类
11 廊坊职业技术学院教案首页 课程名称 变频器应用技术 班级 高职04自 1班 计划课时 2 周次 1 授课方法 讲授 教具 尺 教学内容 §1 基础知识 教学目的 1.复习电力电子器件、PWM 原理 2.掌握逆变电路的变压变频原理 3.掌握变频器各组成部分及其功能 4.了解变频器分类 重点、难点 1. 逆变电路的变压变频原理 2. 制动的原理 复习提问 1.三相异步电动机在变频的同时须变压的原因 作 业 习题：1-15、1-16、1-17 课后小结 1. 常见 IGBT 等电力电子器件结构和特性的介绍 2．SPWM 逆变电路的变压变频原理 3．变频器的组成、 分类
第三节电力电子器件简介 在定性分析变频电路时,可将电力电子器件作为理想开关来对待,其理想伏安特 性曲线如图所示 晶阐管(SCR) 1.结构:晶闸管内部是四层(PNPN)半导体器件,有三个引出极分别为阳极A、阴极 K、门极G,其电气图形符号和内部等效电路如图所示。 (a)电气图形符号(b)内部等效电路(c)伏安特性曲线 2.特性:SCR的阳极伏安特性曲线表示其阳极电压和阳极电流关系。晶闸管的触发导 通条件是在阳极和阴极间加正向电压,同时在门极和阴极间也加正向电压。当两者同 时具备时,则有电流石从门极流入V2管的基极,经V管放大产生集电极电流da,a2 又是Ⅵ管的基极电流,再经Ⅵ管放大,其集电极电流石又流入V管的基极,如此循环 产生强烈的正反馈,使两个晶体管快速饱和导通。晶闸管一旦导通,门极即失去控制 作用。若要使晶闸管关断,只要阳极电流五小于维持电流五,上述正反馈无法维持, 管子自然关断。维持电流L是保持晶闸管导通的最小电流。 3.优缺点:SCR属于电流控制型元件,其控制电路复杂、庞大,工作频率低,效率低 等缺点限制了它们的应用和发展。SCR的优势在于电压、电流容量较大,目前仍广泛应
12 第三节 电力电子器件简介 在定性分析变频电路时，可将电力电子器件作为理想开关来对待，其理想伏安特 性曲线如图所示 一、晶闸管（SCR） 1．结构：晶闸管内部是四层（PNPN）半导体器件，有三个引出极分别为阳极 A、阴极 K、门极 G，其电气图形符号和内部等效电路如图所示。 （a）电气图形符号 （b）内部等效电路 （c）伏安特性曲线 2．特性：SCR 的阳极伏安特性曲线表示其阳极电压和阳极电流关系。晶闸管的触发导 通条件是在阳极和阴极间加正向电压，同时在门极和阴极间也加正向电压。当两者同 时具备时，则有电流 IG 从门极流入 V2 管的基极，经 V2 管放大产生集电极电流 IC2，IC2 又是 V1 管的基极电流，再经 V1 管放大，其集电极电流 IC1 又流入 V2 管的基极，如此循环 产生强烈的正反馈，使两个晶体管快速饱和导通。晶闸管一旦导通，门极即失去控制 作用。若要使晶闸管关断，只要阳极电流 IA 小于维持电流 IH，上述正反馈无法维持， 管子自然关断。维持电流 IH 是保持晶闸管导通的最小电流。 3．优缺点：SCR 属于电流控制型元件，其控制电路复杂、庞大，工作频率低，效率低 等缺点限制了它们的应用和发展。SCR 的优势在于电压、电流容量较大，目前仍广泛应
用在可控整流和交-交变频等变流电路中。 、门极可关断晶闻管(GT0) 1.结构 门极可关断晶闸管的三个引出极分别为阳极A、阴极K、门极G,其电气图形符号 如图a所示。G10是一种多元功率集成器件,它是由十几个甚至数百个共阳极的小GT0 元组成。这种结构是为了便于实现门极控制其关断而设计的。小GT0元内部是PNPN四 层半导体结构,其等效电路如图b IG I 2.特性 GT0的阳极伏安特性曲线表示GT0阳极电压和阳极电流关系。 GTO的工作原理为:当阳极加正向电压,门极加一合适的正向电流时,GT0的内部 有一强烈的电流正反馈过程,使GT0浅饱和导通:当门极加一合适的反向电流,使GT0 内部的电流正反馈无法维持,GT0退出浅饱和而关断。 3.优缺点:GTO属于电流控制型元件,其驱动功率大,驱动电路复杂:GTO的关断控 制易失败,工作频率不够高,一般在10KHz以下。它的优势在于电压、电流容量较大 目前其电压可达到6000V、电流可达到6000A,因此G0多应用于大功率高压变频器 三、电力晶体管(GTR) 1.结构 单管GTR结构与普通的双极结型晶体管类似,由三层半导体(分别引出集电极c、 基极b、发射极e)形成的两个PN结(集电结和发射结)构成,有NPN和PNP两种结 构,多采用NPN结构,其电气图形符号如图所示。变频器用的GTR一般是GTR模块 它是将两只或四只、六只甚至七只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内 这样的结构是为了耐高压、大电流,开关特性好
13 用在可控整流和交-交变频等变流电路中。 二、门极可关断晶闸管（GTO） 1．结构 门极可关断晶闸管的三个引出极分别为阳极 A、阴极 K、门极 G，其电气图形符号 如图 a 所示。GTO 是一种多元功率集成器件，它是由十几个甚至数百个共阳极的小 GTO 元组成。这种结构是为了便于实现门极控制其关断而设计的。小 GTO 元内部是 PNPN 四 层半导体结构，其等效电路如图 b。 2．特性 GTO 的阳极伏安特性曲线表示 GTO 阳极电压和阳极电流关系。 GTO 的工作原理为：当阳极加正向电压，门极加一合适的正向电流时，GTO 的内部 有一强烈的电流正反馈过程，使 GTO 浅饱和导通；当门极加一合适的反向电流，使 GTO 内部的电流正反馈无法维持， GTO 退出浅饱和而关断。 3．优缺点：GTO 属于电流控制型元件，其驱动功率大，驱动电路复杂；GTO 的关断控 制易失败，工作频率不够高，一般在 10KHz 以下。它的优势在于电压、电流容量较大， 目前其电压可达到 6000V、电流可达到 6000A，因此 GTO 多应用于大功率高压变频器。 三、电力晶体管（GTR） 1．结构 单管 GTR 结构与普通的双极结型晶体管类似，由三层半导体（分别引出集电极 c、 基极 b、发射极 e）形成的两个 PN 结（集电结和发射结）构成，有 NPN 和 PNP 两种结 构，多采用 NPN 结构，其电气图形符号如图所示。变频器用的 GTR 一般是 GTR 模块， 它是将两只或四只、六只甚至七只单管 GTR 或达林顿式 GTR 的管芯封装在一个管壳内， 这样的结构是为了耐高压、大电流，开关特性好
放大区 截止区 2.特性 GTR的伏安特性曲线表示GTR的基极电压和集电极电流的关系。 3.优缺点:和普通晶体管一样,GTR也是一种电流放大器件,具有三种基本工作状态, 即截止、放大、饱和。在变频电路中,GTR作为开关器件,应在截止(关)和饱和(开) 两种状态之间交替,不允许工作在放大状态,否则管子的功耗将增大数百倍,使管子 过热损坏 由于GTR的工作频率较低,一般在5~10KHz。它又属于电流驱动型器件,其驱动 功率大,驱动电路复杂,而且GTR耐冲击能力差,易受二次击穿损坏。所以目前GTR 的应用一般被绝缘栅双极晶体管(IGBT)所替代 四、电力场效应晶体管(M0SFET 1.结构 电力场效应晶体管( MOSFET)的三个引出极为:源极S、漏极D、栅极G。变频器 使用的电力场效应晶体管一般是N沟道增强型,其电气图形符号如图所示, 饱和区Us=7V UGs 4V 截止区 2.特性
14 2．特性 GTR 的伏安特性曲线表示 GTR 的基极电压和集电极电流的关系。 3．优缺点：和普通晶体管一样，GTR 也是一种电流放大器件，具有三种基本工作状态， 即截止、放大、饱和。在变频电路中，GTR 作为开关器件，应在截止（关）和饱和（开） 两种状态之间交替，不允许工作在放大状态，否则管子的功耗将增大数百倍，使管子 过热损坏。 由于 GTR 的工作频率较低，一般在 5～10KHz。它又属于电流驱动型器件，其驱动 功率大，驱动电路复杂，而且 GTR 耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。所以目前 GTR 的应用一般被绝缘栅双极晶体管（IGBT）所替代。 四、电力场效应晶体管（MOSFET） 1．结构 电力场效应晶体管（MOSFET）的三个引出极为：源极 S、漏极 D、栅极 G。变频器 使用的电力场效应晶体管一般是 N 沟道增强型，其电气图形符号如图所示， 2．特性
其伏安特性曲线反映了输出电压ls和输出电流i的关系,也称之为输出特性曲线 M0SFET的工作特点是用栅极电压控制漏极电流:当0<1s≤(曲(开启电压) 时,管子截止,无i;当s>l仙),伽加正压,管子导通,s越大则i越大,在相同 的s下,ls越大,i越大。ls与l的关系称为 Power mosfet的转移特性,其曲线如图 所示 优缺点: MOSFET属于电压驱动型器件,输入阻抗高,驱动功率小,驱动电路简单: 开关速度快,开关频率可达500KHz以上。 MOSFET的缺点是电流容量小,耐压低 五、绝缘栅双极晶体管(IGBT 1.结构 IGBT是 MOSFET和GTR取长补短相结合的产物,是具有栅极G、集电极C、和发射 极E的三端元器件。其等效电路和电气图形符号如图所示。IGBT的控制部分与 MOSFET 相同:电压控制型,控制信号为ls,输入阻抗高,栅极电流i约为零,驱动功率小 IGBT的主电路和GTR相同:工作电流为ic MOSFET R 2.特性 IGBT的输出特性曲线反映了输出电压lx和输出电流i的关系。 w反向阻断区 IGBT工作在开关状态时和GTR一样,在阻断状态和饱和导通状态之间转换,不允
15 其伏安特性曲线反映了输出电压 uDS 和输出电流 iD 的关系，也称之为输出特性曲线。 MOSFET 的工作特点是用栅极电压 uGS 控制漏极电流 iD：当 0﹤uGS≤UGS(th)（开启电压） 时，管子截止，无 iD；当 uGS﹥UGS(th) ，uDS 加正压，管子导通，uDS 越大则 iD 越大，在相同 的 uDS 下，uGS 越大，iD 越大。uGS与 iD 的关系称为 Power MOSFET 的转移特性，其曲线如图 所示. 3．优缺点：MOSFET 属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单； 开关速度快，开关频率可达 500KHz 以上。MOSFET 的缺点是电流容量小，耐压低。 五、 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 1．结构 IGBT 是 MOSFET 和 GTR 取长补短相结合的产物，是具有栅极 G、集电极 C、和发射 极 E 的三端元器件。其等效电路和电气图形符号如图所示。IGBT 的控制部分与 MOSFET 相同：电压控制型，控制信号为 uGE，输入阻抗高，栅极电流 iG 约为零，驱动功率小； IGBT 的 主 电 路 和 GTR 相 同 ： 工 作 电 流 为 iC 。 2．特性 IGBT 的输出特性曲线反映了输出电压 uCE 和输出电流 iC 的关系。 IGBT 工作在开关状态时和 GTR 一样，在阻断状态和饱和导通状态之间转换，不允