许在放大状态停留。IGBT的工作特点是用栅极电压lx控制集电极电流k:当l≤l() (开启电压)时,IGBT截止,无ic;当l>l(时,l加正压,IGBT导通,其输出 电流i与驱动电压Lk基本呈线形关系。如图1-12b所示为IGBT的驱动电压Lkg与输出 电流i的关系,此曲线称为IGBT的转移特性曲线。 优缺点:IGBT的输出特性好,开关速度快,工作频率高,一般可达到20KHz以上, 通态压降比 MOSFET低,输入阻抗高,耐压、耐流能力比 MOSFET和GTR提高,最大电 流可达1800A,最高电压可达4500V。目前,在中小容量变频器电路中,IGBT的应用处 于绝对的优势 六、集成门极换流晶闸管(IccT) IGCT是GT0的派生器件,其基本结构在GT0的基础上采取了一系列的改进措施, 比如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的门极驱动电路等等。这使得IGCT不仅具有 与GT0相当的容量,而且具有优良的开通和关断能力 目前,4000A、4500V及5500V的IGCT己研制成功。在大容量变频电路中,IGCT 被广泛应用。 七、智能功率模块(IPM) IPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块 内,是电力集成电路的一种。这种功率集成电路特别适应逆变器高频化发展方向的需 要,而且由于高度集成化,结构紧凑,避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系 列技术难题。目前,IPM一般以IGBT为基本功率开关元件,构成一相或三相逆变器的 专用功能模块,在中小容量变频器中广泛应用。 第四节脉冲宽度调制(PM)原理 脉冲宽度调制技术的概念 1.脉冲宽度调制(缩写为PWM):是通过按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行 调制,来得到所需要的等效波形 2.以变频调速常用的电路结构为例来说明PwM含义:一般异步电动机需要的是正弦交 流电,而逆变电路输出的往往是脉冲。PWM控制的目的就是通过对逆变电路输出脉冲的
16 许在放大状态停留。IGBT 的工作特点是用栅极电压 uGE 控制集电极电流 iC：当 uGE≤UGE(th) （开启电压）时，IGBT 截止，无 iC；当 uGE﹥UGE(th) 时，uCE 加正压，IGBT 导通，其输出 电流 iC 与驱动电压 uGE 基本呈线形关系。如图 1-12b 所示为 IGBT 的驱动电压 uGE 与输出 电流 iC 的关系，此曲线称为 IGBT 的转移特性曲线。 3．优缺点：IGBT 的输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达到 20KHz 以上， 通态压降比 MOSFET 低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比 MOSFET 和 GTR 提高，最大电 流可达 1800A，最高电压可达 4500V。目前，在中小容量变频器电路中，IGBT 的应用处 于绝对的优势。 六、集成门极换流晶闸管（IGCT） IGCT 是 GTO 的派生器件，其基本结构在 GTO 的基础上采取了一系列的改进措施， 比如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的门极驱动电路等等。这使得 IGCT 不仅具有 与 GTO 相当的容量，而且具有优良的开通和关断能力。 目前，4000A、4500V 及 5500V 的 IGCT 已研制成功。在大容量变频电路中，IGCT 被广泛应用。 七、智能功率模块（IPM） IPM 是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块 内，是电力集成电路的一种。这种功率集成电路特别适应逆变器高频化发展方向的需 要，而且由于高度集成化，结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系 列技术难题。目前，IPM 一般以 IGBT 为基本功率开关元件，构成一相或三相逆变器的 专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。 第四节 脉冲宽度调制（PWM）原理 一、脉冲宽度调制技术的概念 1．脉冲宽度调制（缩写为 PWM）：是通过按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行 调制，来得到所需要的等效波形。 2．以变频调速常用的电路结构为例来说明 PWM 含义：一般异步电动机需要的是正弦交 流电，而逆变电路输出的往往是脉冲。PWM 控制的目的就是通过对逆变电路输出脉冲的
宽度进行调制,使之与正弦波等效。这样,虽然电动机的输入信号仍为脉冲,但它是 与正弦波等效的调制波,那么电动机的输入信号也就等效为正弦交流电了。 二、PW技术的基本原理 1.PM技术的理论基础:采样控制理论中的一个重要结论一一面积等效控制原理 2.SPwM原理:将一个正弦半波电压分为N等份,并把正弦曲线每一等份所包围的面积 都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替,且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的 中点重合,得到脉冲列,这就是PWM波。正弦波的另外半波也用同样的办法来等效, 就可以得到与正弦波等效的脉宽调制波,又称其为SPWM。SPwM波在变频电路中被广泛 采用 根据采样控制理论,N值越高(即脉冲频率越高),SPWM越接近正弦波,但脉冲频 率一方面受变频器中开关器件工作频率的限制,另一方面频率太高,电磁干扰增大 要带来一些新的问题 3.实际应用中SPwM波的形成 调制方法 调制波a所希望生成的正弦波 载波t等腰三角波或锯齿波 利用载波和调制波相的比较方式来确定脉宽和间隔。 4.按照调制脉冲的极性关系,PWM逆变电路的控制方式分「单极性控制 双极性控制 单相桥式SPwM逆变电路分析。 1.单极性SPWM控制
17 宽度进行调制，使之与正弦波等效。这样，虽然电动机的输入信号仍为脉冲，但它是 与正弦波等效的调制波，那么电动机的输入信号也就等效为正弦交流电了。 二、PWM 技术的基本原理 1．PWM 技术的理论基础：采样控制理论中的一个重要结论——面积等效控制原理 2．SPWM 原理：将一个正弦半波电压分为 N 等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积 都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的 中点重合，得到脉冲列，这就是 PWM 波。正弦波的另外半波也用同样的办法来等效， 就可以得到与正弦波等效的脉宽调制波，又称其为 SPWM。SPWM 波在变频电路中被广泛 采用。 根据采样控制理论，N 值越高（即脉冲频率越高），SPWM 越接近正弦波，但脉冲频 率一方面受变频器中开关器件工作频率的限制，另一方面频率太高，电磁干扰增大， 要带来一些新的问题。 3．实际应用中 SPWM 波的形成： 调制方法 调制波 ur 所希望生成的正弦波 载波 uT 等腰三角波或锯齿波 利用载波和调制波相的比较方式来确定脉宽和间隔。 4．按照调制脉冲的极性关系，PWM 逆变电路的控制方式分 单极性控制 双极性控制 三、单相桥式 SPWM 逆变电路分析。 1．单极性 SPWM 控制
设定载波、调制波u,如图所示。 (1)在正半周,让ⅥT1一直保持通态,ⅥT4保持断态。当l>t时,控制ⅥT3为通 态,负载输出电压L=l;当u<时,控制ⅥT3为断态,负载输出电压L=0,此时负 载电流可以经过ⅥT1与VD2续流 (2)在负半周,让Ⅵ4一直保持通态,Ⅶ们保持断态。当<时,控制ⅥT2为通 态,负载输出电压l=-l;当u>t时,控制ⅥT2为断态,负载输出电压U=0,此时负 载电流可以经过VT4与VD3续流。 这样,就得到了SPwM波磊,l为u2的基波分量。可见,在任一半个周期中,SPWM 波只能在一个方向变化,故称为单极性SPwM控制方式。由于改变的幅值时,调制波 的脉宽将随之改变,从而改变输出电压的大小;而改变l的频率时,则输出电压的基 波频率也随之改变,所以这就实现了既可调压又可调频的目的 IM4 MAHiA AA 单极性PwM控制方式原理图 2.双极性SPWM控制 设定调制波L、载波,载波改为正负两个方向变化的等腰三角波,如图1-17a 所示。当l>时,给ⅥT1和ⅥT3导通信号,而给ⅥT2和VT4关断信号,负载输出电压 L=l;当l<t时,给VT2和ⅥT4导通信号,而给ⅥT1和ⅥT3关断信号,负载输出电压 u=-l。这样,就得到了SPwM波u。可见,在任一半个周期中,SPWM波在正、负两个 方向交替,故称为双性SPMM控制方式。改变的幅值和频率,即可达到调压、调频的 目的。 四、变频器的三相桥式SPwM逆变电路
18 设定载波 uT、调制波 ur，如图所示。 ⑴在 ur 正半周，让 VT1 一直保持通态，VT4 保持断态。当 ur﹥uT 时，控制 VT3 为通 态，负载输出电压 uo=Ud；当 ur﹤uT 时，控制 VT3 为断态，负载输出电压 uo=0，此时负 载电流可以经过 VT1 与 VD2 续流。 ⑵在 ur 负半周，让 VT4 一直保持通态，VT1 保持断态。当 ur﹤uT 时，控制 VT2 为通 态，负载输出电压 uo=-Ud；当 ur﹥uT时，控制 VT2 为断态，负载输出电压 uo=0，此时负 载电流可以经过 VT4 与 VD3 续流。 这样，就得到了 SPWM 波 uo ，uof为 uo 的基波分量。可见，在任一半个周期中，SPWM 波只能在一个方向变化，故称为单极性 SPWM 控制方式。由于改变 ur 的幅值时，调制波 的脉宽将随之改变，从而改变输出电压的大小；而改变 ur 的频率时，则输出电压的基 波频率也随之改变，所以这就实现了既可调压又可调频的目的。 2．双极性 SPWM 控制 设定调制波 ur、载波 uT，载波 uT 改为正负两个方向变化的等腰三角波，如图 1-17a 所示。当 ur﹥uT 时，给 VT1 和 VT3 导通信号，而给 VT2 和 VT4 关断信号，负载输出电压 uo=Ud；当 ur﹤uT 时，给 VT2 和 VT4 导通信号，而给 VT1 和 VT3 关断信号，负载输出电压 uo=-Ud。这样，就得到了 SPWM 波 uo。可见，在任一半个周期中，SPWM 波在正、负两个 方向交替，故称为双性 SPWM 控制方式。改变 ur 的幅值和频率，即可达到调压、调频的 目的。 四、变频器的三相桥式 SPWM 逆变电路
由电路结构可见,其控制方式为用双极性控制。电路的开关器件采用IGBT,负载 为感性。其工作原理如下 调频原理 U、V、W三相载波信号公用一个三角载波,三相调制信号u、lw、l为相位依 次相差120°的正弦波。改变三相调制信号un、4、l的频率,即可变频器的输出频率, 达到变频之目的。U、V、W三相的IGBT控制规律相同,现以U相为例来说明电路的控 制过程。当lh>时,给ⅥT1l导通信号,给ⅥT4关断信号,则U相相对于电源假想中 点N的输出电压Mhx=l/2:当lh<b时,给ⅥT4导通信号,给ⅥT1关断信号,则U相 相对于电源假想中点N的输出电压4x=l/2。ⅥT1和ⅥT4的驱动信号始终是互补的 当给ⅥTl(ⅥT4)加导通信号时,可能是ⅥT1(ⅥT4)导通,也可能是二极管WDl(WD4) 续流导通,这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定,和单相桥式PWM逆变电 路双极性控制时的情况相同。V相和W相的控制方式和U相相同。厶、厶和l的波 形如图所示。线电压L的波形可由lN-x得出。若求负载的相电压可由式L=lx (hw+kx+ahx)/3求得,其波形略 2.调压原理 变频器的调压和调频是同时进行的。当将三相调制信号n、lkx、l的频率调低(高) 时,三个信号的幅度也相应调小(大),使得调制信号的U/∫为常数,或按照设定的要 求变化。若调制信号的幅度变小,则变频器的输出脉冲宽度变窄,等效电压变低:若 调制信号的幅度变大,则变频器的输出脉冲宽度变宽,等效电压变高
19 由电路结构可见，其控制方式为用双极性控制。电路的开关器件采用 IGBT，负载 为感性。其工作原理如下： 1．调频原理 U、V、W 三相载波信号公用一个三角载波 uT，三相调制信号 urU、urV、urW 为相位依 次相差 1200 的正弦波。改变三相调制信号 urU、urV、urW 的频率，即可变频器的输出频率， 达到变频之目的。U、V、W 三相的 IGBT 控制规律相同，现以 U 相为例来说明电路的控 制过程。当 urU﹥uT 时，给 VT1 导通信号，给 VT4 关断信号，则 U 相相对于电源假想中 点 N ¹的输出电压 uUN′=Ud/2；当 urU﹤uT 时，给 VT4 导通信号，给 VT1 关断信号，则 U 相 相对于电源假想中点 N ¹的输出电压 uU N′=-Ud/2。VT1 和 VT4 的驱动信号始终是互补的。 当给 VT1（VT4）加导通信号时，可能是 VT1（VT4）导通，也可能是二极管 VD1（VD4） 续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式 PWM 逆变电 路双极性控制时的情况相同。V 相和 W 相的控制方式和 U 相相同。uUN′、uVN′和 uWN′的波 形如图所示。线电压 uUV 的波形可由 uUN′-uVN′得出。若求负载的相电压可由式 uUN =uUN′ -(uUN′+uVN′+uWN′)/3 求得，其波形略。 2．调压原理 变频器的调压和调频是同时进行的。当将三相调制信号 urU、urV、urW 的频率调低（高） 时，三个信号的幅度也相应调小（大），使得调制信号的 U/ƒ为常数，或按照设定的要 求变化。若调制信号的幅度变小，则变频器的输出脉冲宽度变窄，等效电压变低；若 调制信号的幅度变大，则变频器的输出脉冲宽度变宽，等效电压变高
综上所述,变频器的调压调频过程是通过控制三相调制信号进行的 H 在双极性SPWM控制方式中,理论上要求同一相上下两个桥臂的驱动信号互补,但 实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成电源短路,通常要求先加关断信号,再延迟 △t时间,才给另一个施加导通信号。延迟时间△t的长短主要由功率开关器件的关断 时间决定。由于这个延时将会给输出PwM波带来不利影响,使其偏离正弦波,所以在 保证电路可靠工作的前提下,延迟时间要尽可能短。 第五节变频器的组成 变频器的组成:「主电路 控制电路 、主电路功能:将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电 输入「R 输出「U
20 综上所述，变频器的调压调频过程是通过控制三相调制信号进行的。 在双极性 SPWM 控制方式中，理论上要求同一相上下两个桥臂的驱动信号互补，但 实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成电源短路，通常要求先加关断信号，再延迟 △t 时间，才给另一个施加导通信号。延迟时间△t 的长短主要由功率开关器件的关断 时间决定。由于这个延时将会给输出 PWM 波带来不利影响，使其偏离正弦波，所以在 保证电路可靠工作的前提下，延迟时间要尽可能短。 第五节 变频器的组成 变频器的组成： 主电路 控制电路 一、主电路 功能：将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电 输入 R 输出 U S V T W