基于IGBT的直流斬波電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制

1、 基于IGBT的直流斬波牽引電機(jī)調(diào)速基于IGBT的直流斬波牽引電機(jī)調(diào)速控制電路 學(xué) 院：電氣學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化（軌道交通方向） 班 級(jí)：BG1102 姓 名：魯春嬌 學(xué) 號(hào)：111001180204 指導(dǎo)教師：王致杰 設(shè)計(jì)時(shí)間：2014.12 小組成員及分工： 組 長(zhǎng)：張亞強(qiáng) 文獻(xiàn)檢索：魯春嬌，戚誠(chéng)凱 文檔編輯：王智超，張?jiān)偰夸浨把?第一章 軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的發(fā)展61.1 電力電子器件的發(fā)展61.2電氣牽引控制技術(shù)的發(fā)展61.3 控制技術(shù)6第二章 軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的應(yīng)用82.1 電力電子器件在軌道車(chē)輛牽引中的應(yīng)用發(fā)展82.2 IGBT在軌道車(chē)輛牽引變流器的

2、應(yīng)用82.2.1 IGBT簡(jiǎn)介8第三章 直流斬波電路11第四章 直流調(diào)速系統(tǒng)124.1直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)124.2直流調(diào)速系統(tǒng)原理134.3調(diào)速方案選擇13第五章 設(shè)計(jì)直流斬波調(diào)速電路155.1信號(hào)發(fā)生電路155.2 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路185.3主電路195.4總電路圖22第六章 電路調(diào)試236.1 信號(hào)發(fā)生電路的調(diào)試236.2 驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試236.3 完整電路調(diào)試23第七章 結(jié)論24個(gè)人心得25參考文獻(xiàn)26前言長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域和高開(kāi)關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展

3、，以及直流斬波調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。目前,市場(chǎng)上用的最多的IGBT直流斬波器,它是屬于全控型斬波器，它的主導(dǎo)器件采用國(guó)際上先進(jìn)的電力電子器件IGBT，由門(mén)極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及GTR 斬波器的缺點(diǎn)。基于IGBT的直流斬波控制實(shí)現(xiàn)應(yīng)用也是十分廣泛的直流電機(jī)的調(diào)速，與可控硅脈沖調(diào)速方式和電阻調(diào)速方式相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。電力牽引傳動(dòng)與電力電子器件存在相互促進(jìn)和相互依存的密切關(guān)系，電力傳動(dòng)是按照直一直傳動(dòng)、交一直傳動(dòng)再到交一直一交傳動(dòng)的過(guò)程發(fā)展的，而為了滿足這一發(fā)展歷程，離不開(kāi)電力電子器件和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的高速發(fā)展。現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展迅猛，開(kāi)發(fā)周期

4、愈來(lái)愈短，如快速晶閘管、GTO晶閘管、IGBT、IPM等，每種新器件的誕生都迫使我們加快了對(duì)新器件的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，從而促進(jìn)了牽引傳動(dòng)方式的進(jìn)步。電力牽引傳動(dòng)與電力電子器件存在相互促進(jìn)和相互依存的密切關(guān)系，電力傳動(dòng)是按照直一直傳動(dòng)、交一直傳動(dòng)再到交一直一交傳動(dòng)的過(guò)程發(fā)展的，而為了滿足這一發(fā)展歷程，離不開(kāi)電力電子器件和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的高速發(fā)展。現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展迅猛，開(kāi)發(fā)周期愈來(lái)愈短，如快速晶閘管、GTO晶閘管、IGBT、IPM等，每種新器件的誕生都迫使我們加快了對(duì)新器件的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，從而促進(jìn)了牽引傳動(dòng)方式的進(jìn)步。電力牽引是我國(guó)最主要的軌道交通車(chē)輛的牽引方式。我國(guó)軌道交通車(chē)輛發(fā)展迅猛，從

5、以往單一的鐵路形式發(fā)展成為包括高速鐵路、城際客運(yùn)專線、城市地鐵和輕軌以及磁懸浮列車(chē)等在內(nèi)的多種形式，通過(guò)軌道交通車(chē)輛出行已經(jīng)成為人們最重要的交通方式。隨著軌道交通車(chē)輛的發(fā)展，電力牽引技術(shù)也得到了極大的提高和發(fā)展。目前電力牽引系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了交直交的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，并得到了空前的應(yīng)用。微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、FPGA和智能控制等先進(jìn)技術(shù)都在電力牽引系統(tǒng)中獲得了廣泛的運(yùn)用，新型的電力牽引和控制系統(tǒng)在不斷涌現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人們的日常生活。無(wú)論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國(guó)防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如電

6、冰箱，空調(diào)，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料顯示，在所有動(dòng)力資源中，百分之九十以上來(lái)自電動(dòng)機(jī)。同樣，我國(guó)生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動(dòng)機(jī)的。電動(dòng)機(jī)與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制應(yīng)用比較多。簡(jiǎn)單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過(guò)繼電器，可編程控制器和開(kāi)關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。直流電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中具有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。首先直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能、調(diào)速性能和控制性能，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱直流調(diào)速系統(tǒng)）在需要調(diào)速的高性能電力拖動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。另外，它的電樞電壓、

7、電樞電力、電樞回路電阻、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速等各參數(shù)、變量之間的關(guān)系幾乎都是近似的線性函數(shù)關(guān)系，這使直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、相應(yīng)地使得直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)也較為容易，且經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟、經(jīng)典，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是及交流調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。第一章 軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的發(fā)展 1.1 電力電子器件的發(fā)展自1957 年晶閘管問(wèn)世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生，從此電子技術(shù)向兩個(gè)分支發(fā)展。一支是以晶體管集成電路為核心形成對(duì)信息處理的微電子技術(shù)，其發(fā)展特點(diǎn)是集成度愈來(lái)愈高，集成規(guī)模越來(lái)越大，功能越來(lái)越全。另一支是

8、以晶閘管為核心形成對(duì)電力處理的電力電子技術(shù)，其發(fā)展特點(diǎn)是晶閘管的派生器件越來(lái)越多，功率越來(lái)越大，性能越來(lái)越好。傳統(tǒng)的電力電子器件已發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，但在實(shí)際中卻存在兩個(gè)制約其繼續(xù)發(fā)展的致命因素。一是控制功能上的欠缺，因?yàn)橥ㄟ^(guò)門(mén)極只能控制其開(kāi)通而不能控制其關(guān)斷，屬于半控型器件。二是此類器件立足于分立元件結(jié)構(gòu)，開(kāi)通損耗大，工作頻率難以提高，一般情況下難以高于400Hz，因而大大地限制了其應(yīng)用范圍。因此，半控制器件的發(fā)展已處于停滯狀態(tài)。到了70 年代末，可關(guān)斷晶閘管(GTO)器件日趨成熟，標(biāo)志著電力電子器件已經(jīng)從半控型器件發(fā)展到全控制型器件。進(jìn)入80 年代以后，伴隨著GTO器件的發(fā)展及成熟，MO

9、S 器件的開(kāi)發(fā)則繁花似錦。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)獨(dú)占鰲頭。至此電力電子器件又從電流控制型器件發(fā)展到電壓控制型器件。90 年代，電力電子器件又在向智能化、模塊化方向發(fā)展，力求將電力器件與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在一個(gè)芯片或模塊內(nèi)，使裝置更趨小型化、智能化，其典型器件是IPM。而IGCT 器件既具有IGBT 器件的開(kāi)關(guān)特性，同時(shí)又具有GTO器件的導(dǎo)通特性，且制造成本較低(與GTO和IGBT相比)，可以獲得和GTO晶閘管一樣的產(chǎn)量，即其集IGBT與GTO二者優(yōu)勢(shì)于一身，預(yù)計(jì)今后會(huì)在更多的工業(yè)和牽引領(lǐng)域中發(fā)揮作用。總之，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了從半控到全控、從電流控制型到電壓控制型、從

10、單個(gè)元件到模塊化再到智能化的發(fā)展過(guò)程。1.2電氣牽引控制技術(shù)的發(fā)展1.2.1 牽引/ 制動(dòng)特性軌道運(yùn)輸裝備的牽引/ 制動(dòng)特性是其最基本、最重要的性能，是運(yùn)輸裝備設(shè)計(jì)首要考慮的重要因素之一，它包括了運(yùn)輸裝備的持續(xù)運(yùn)行速度、最高運(yùn)行速度、牽引/制動(dòng)力特性以及裝備的加速性能，以滿足鐵路運(yùn)輸?shù)男枨蟆Ｔ谲壍肋\(yùn)輸裝備減速制動(dòng)時(shí)通常優(yōu)先采用再生制動(dòng)，將電機(jī)回饋的電能通過(guò)變流裝置回饋給電網(wǎng)，達(dá)到綠色環(huán)保節(jié)能的目的。在系統(tǒng)研究與實(shí)際工程應(yīng)用中，采用高功率密度變流裝置、變壓器、牽引電機(jī)和直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)電機(jī)控制策略，在實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的牽引/ 制動(dòng)特性準(zhǔn)確控制的同時(shí)，獲得毫秒級(jí)的轉(zhuǎn)矩階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。電氣牽引傳動(dòng)粗分

11、為以下幾種方式：1）直流電網(wǎng)供電直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，即直直傳動(dòng)。2）直流供電交流異步傳動(dòng)，即直交傳動(dòng)。3）單相交流供電直流（脈流）電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，即交直傳動(dòng)。4）單相交流供電三相交流異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng), 即交交傳動(dòng)。1.3 控制技術(shù)1.3.1 PWM控制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM）是現(xiàn)代變流技術(shù)廣泛應(yīng)用的起點(diǎn)，是奠定綠色變頻節(jié)能的基礎(chǔ)。其通過(guò)改變輸出脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的輸出電壓與頻率，從而實(shí)現(xiàn)交流到直流，直流到交流的能量變換。通常采用的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)在三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)，以合成旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量為參考，三相逆變器8 種不同開(kāi)關(guān)模式電壓矢量合成參考電壓矢量，形成PWM波。1.

12、3.2 傳動(dòng)控制技術(shù)傳動(dòng)控制技術(shù)是牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)，傳動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)由轉(zhuǎn)差電流控制發(fā)展成矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。1）轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)轉(zhuǎn)差電流控制技術(shù)是一種早期的用于控制交流異步電機(jī)的方法，基于異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，控制性能遠(yuǎn)不能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能差。2）矢量控制技術(shù)矢量控制，又稱為磁場(chǎng)定向控制（FOC），其基本原理是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流正交分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 （勵(lì)磁電流） 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 （轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量的幅值，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制策略存在一些固有缺點(diǎn)，比如轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，對(duì)電機(jī)參數(shù)比較敏感，實(shí)際

13、工程應(yīng)用時(shí)矢量控制必須具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)功能。與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，矢量控制具有直接的電流閉環(huán)控制特點(diǎn)，電流控制的穩(wěn)定性高，有獨(dú)立的PWM調(diào)制單元，決定其轉(zhuǎn)矩控制結(jié)果是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值。如果在大功率低開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用時(shí)，高速區(qū)必須采用同步調(diào)制技術(shù)。同步調(diào)制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制相比，開(kāi)關(guān)頻率利用不充分，在逆變器峰值電流、電機(jī)諧波損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、直流側(cè)電流諧波等重要性能指標(biāo)上比直接轉(zhuǎn)矩控制差。而直接轉(zhuǎn)矩控制PWM調(diào)制在磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制中直接實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能高，但在低速高開(kāi)關(guān)頻率區(qū)性能比矢量控制差。通常在小功率高開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合應(yīng)用矢量控制，在大功率低開(kāi)關(guān)頻率場(chǎng)合應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制。3）直接轉(zhuǎn)矩控制

14、技術(shù)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種高性能異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈來(lái)間接控制電流，不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，因此具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、對(duì)參數(shù)變化敏感等問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制可以充分利用逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，從而特別適用于大功率牽引傳動(dòng)領(lǐng)域。第二章 軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域電力電子器件的應(yīng)用2.1 電力電子器件在軌道車(chē)輛牽引中的應(yīng)用發(fā)展80 年代以前，在軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域，電力電子器件主要用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)中的整流器和斬波器以及輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。電力電子器件主要是晶閘管。進(jìn)入

15、80 年代以后，隨著交流傳動(dòng)技術(shù)日趨成熟，電力電子器件又有了新的用武之地，其在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：整流器、斬波器、電力制動(dòng)、逆變器以及輔助傳動(dòng)系統(tǒng)。這一時(shí)期在這些應(yīng)用領(lǐng)域采用的電力電子器件主要是晶閘管和GTO。進(jìn)入90 年代以后，交流傳動(dòng)在電力機(jī)車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)組上得以大量地推廣應(yīng)用，使電力電子器件在軌道車(chē)輛牽引領(lǐng)域中有了更廣闊的應(yīng)用前景。這一時(shí)期其在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用主要是牽引變流器，主要采用的電力電子器件是GTO和IGBT。根據(jù)電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，預(yù)計(jì)在今后幾年，電力電子器件將在以下方面取得進(jìn)展：(1)已進(jìn)入實(shí)用化的全控型器件將在功率等級(jí)、易于驅(qū)動(dòng)和更高工作頻率這三個(gè)方面繼續(xù)改

16、善和提高。(2)由于MCT、IGBT、IGCT 等器件的大容量化及實(shí)用化，在更多的領(lǐng)域，IGBT 和IGCT 將取代GTO。(3)IGCT 等新型混合器件將逐步得以推廣應(yīng)用。(4)功率集成電路將會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。這將預(yù)示著電力電子技術(shù)將躍入一個(gè)新的時(shí)代。(5)新型半導(dǎo)體材料SiC 的問(wèn)世，將預(yù)示著在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)誕生一種集高耐壓、大電流、高開(kāi)關(guān)速度、無(wú)吸收電路、簡(jiǎn)單的門(mén)極驅(qū)動(dòng)、低損耗等所有優(yōu)點(diǎn)于一身的新型SiC 電力器件。2.2 IGBT在軌道車(chē)輛牽引變流器的應(yīng)用2.2.1 IGBT簡(jiǎn)介IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)

17、式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。2.2.2 IGBT工作特性IGBT的導(dǎo)通： IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個(gè)MOSFE

18、T驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。 當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽(yáng)極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流(MOSFET 電流)； 一個(gè)空穴電流(雙極)。IGBT的關(guān)斷： 當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSF

19、ET電流在開(kāi)關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開(kāi)始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問(wèn)題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問(wèn)題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問(wèn)題更加明顯。靜態(tài)特性：IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出

20、特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏

21、極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示：Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh式中Uj1 JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 1V ；Udr 擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh 溝道電阻。通態(tài)電流Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos 流過(guò)MOSFET 的電流。由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 3V

22、 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。動(dòng)態(tài)特性IGBT 在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過(guò)程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開(kāi)通延遲時(shí)間，tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和，漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)?/p>

23、IGBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間t(off)=td(off)+trv十t(f)式中：td(off)與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于M

24、OSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約34V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上，目前只能通過(guò)IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)

25、際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1um以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。2013年9月12日 我國(guó)自主研發(fā)的高壓大功率3300V/50A IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片及由此芯片封裝的大功率1200A/3300V IGBT模塊通過(guò)專家鑒定，中國(guó)自此有了完全自主的IGBT“中國(guó)芯”。由于IGBT 器件屬電壓驅(qū)動(dòng)的全控型開(kāi)關(guān)器件，脈沖開(kāi)關(guān)頻率高，性能好，損耗小，且自保護(hù)能力也強(qiáng)。為此，目前世界上無(wú)論是干線鐵路還是城市軌道的電動(dòng)車(chē)輛的電氣系統(tǒng)中均采用IGBT 模塊來(lái)構(gòu)成。隨著IGBT

26、 性能的迅速發(fā)展，IGBT 模塊的電壓等級(jí)和電流容量在不斷提高，從1991 年生產(chǎn)出了小型IGBT 模塊，其電壓等級(jí)為1200V/300A，很快取代了在工業(yè)上通用變頻器中所用的雙極型晶體管;1993年出現(xiàn)了1700V/300A 的IGBT，并已開(kāi)始在城市電車(chē)上獲得推廣應(yīng)用;到2000 年后更出現(xiàn)了1700V/2400A , 3300V/1200A和6500V/600A的高壓IGBT，這些高壓HV IGBT 很快地應(yīng)用到鐵道與城市地鐵輕軌車(chē)輛中，由于其性能優(yōu)越，加之其為絕緣型模塊，整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊輕巧，且采用了低感母線技術(shù)與軟門(mén)極的驅(qū)動(dòng)技術(shù)并解決了熱循環(huán)的壽命問(wèn)題，目前，HV IGBT 模塊已

27、成為軌道電力牽引系統(tǒng)中應(yīng)用的主導(dǎo)元件。隨著城市發(fā)展，城軌交通供電網(wǎng)壓制也從早期的600V DC 和750V DC 發(fā)展為1500V DC 網(wǎng)壓制，以適應(yīng)大城市大客流量發(fā)展的需要。網(wǎng)壓的提高對(duì)電力電子器件的電壓等級(jí)提出了更高的要求，IGBT 模塊的電壓等級(jí)也從1200V 發(fā)展到L700V, 3300V 以及4500V和6500V電壓等級(jí)水平。第三章 直流斬波電路直流斬波電路是一種將電壓恒定的直流電變換為電壓可調(diào)的直流電的電力電子變流裝置，亦稱直流斬波器或DC/DC變換器。用斬波器實(shí)現(xiàn)直流變換的基本思想是通過(guò)對(duì)電力電子開(kāi)關(guān)器件的快速通、斷控制把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流，在一

28、定濾波的條件下，在負(fù)載上可以獲得平均值可小于或大于電源的電壓或電流。如果改變開(kāi)關(guān)器件通、斷的動(dòng)作頻率，或改變開(kāi)關(guān)器件通、斷的時(shí)間比例，就可以改變這一脈沖序列的脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流平均值的調(diào)節(jié)。早在1940年德國(guó)人采用機(jī)械開(kāi)關(guān)通斷的思想來(lái)調(diào)節(jié)直流電壓以控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，1960年美國(guó)人把晶體管斬波器用于控制柴油發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，1963年德國(guó)人把晶閘管斬波器用于控制蓄電池車(chē)。早期主要應(yīng)用于城市電車(chē)，地鐵、電動(dòng)汽車(chē)等直流牽引調(diào)速控制系統(tǒng)中。隨著自關(guān)斷電力電子開(kāi)關(guān)器件和脈寬調(diào)制技術(shù)的不斷發(fā)展，直流斬波器具有效率高、體積小、重量輕、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、有源功率因數(shù)校正、

29、超導(dǎo)儲(chǔ)能等新技術(shù)領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō)，直流斬波電路有兩類不同的應(yīng)用領(lǐng)域：一類負(fù)載是要求輸出電壓可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制，即要求電路輸出可變的直流電壓，例如直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，為了改變其轉(zhuǎn)速，要求可變的直流電壓供電；另一類負(fù)載則要求無(wú)論在電源電壓變化或負(fù)載變化時(shí)，電路的輸出電壓都能維持恒定不變，即輸出一個(gè)恒定的直流電壓，如開(kāi)關(guān)電源等。這兩種不同的要求均可通過(guò)一定類型的控制系統(tǒng)根據(jù)反饋控制原理實(shí)現(xiàn)。直流斬波電路的種類較多，根據(jù)其電路結(jié)構(gòu)及功能分類，主要有以下4種：降壓(Buck)斬波電路、升壓(Boost)斬波電路、升降壓(Buck-Boost)斬波電路、丘克(Cuk)斬波電路，其中前兩種是最基本的電路，后兩

30、種是前兩種基本電路的組合形式。由基本斬波電路衍生出來(lái)的Sepic斬波電路和Zeta斬波電路也是較為典型的電路。利用基本斬波電路進(jìn)行組合，還可以構(gòu)成復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?。第四?直流調(diào)速系統(tǒng)4.1直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。其構(gòu)造的主要特點(diǎn)是具有一個(gè)帶換向器的電樞。直流電機(jī)的定子由機(jī)座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的主要部件，由永磁體或帶有直流勵(lì)磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均

31、勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機(jī)械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個(gè)整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對(duì)運(yùn)行可靠性有很大影響。直流電機(jī)斬波調(diào)速原理是利用可控硅整流調(diào)壓來(lái)達(dá)直流電機(jī)調(diào)速的目的，利用交流電相位延遲一定時(shí)間發(fā)出觸發(fā)信號(hào)使可控硅導(dǎo)通即為斬波，斬波后的交流電經(jīng)電機(jī)濾波后其平均電壓隨斬波相位變化而變化。為了達(dá)到控制直流電機(jī)目的，在控制回路加入了速度、電壓、電流反饋環(huán)路和PID調(diào)節(jié)器來(lái)防止電機(jī)由于負(fù)載變化而引起的波動(dòng)和對(duì)電機(jī)速度、電壓、電流超常保護(hù)。直流勵(lì)磁的磁路在電工設(shè)備中的應(yīng)用，除了直流電磁鐵（直流繼電器、直流接觸器等）外，最重要的就是應(yīng)用

32、在直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中。在發(fā)電廠里，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)、蓄電池的充電機(jī)等，都是直流發(fā)電機(jī)；鍋爐給粉機(jī)的原動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。此外，在許多工業(yè)部門(mén)，例如大型軋鋼設(shè)備、大型精密機(jī)床、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、市內(nèi)電車(chē)、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)工作機(jī)械的。直流發(fā)電機(jī)通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動(dòng)機(jī)則是作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各種生產(chǎn)機(jī)械工作，向負(fù)載輸出機(jī)械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機(jī)還有其它的用途，例如測(cè)速電機(jī)、伺服電機(jī)等。雖然直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的用途各不同，但是它們的結(jié)構(gòu)基本上一樣，都是利用電和磁的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。直流電機(jī)的最大弱點(diǎn)就是有電流的

33、換向問(wèn)題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動(dòng)機(jī)。不過(guò)，近年來(lái)在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。包括直流電機(jī)在內(nèi)的一切旋轉(zhuǎn)電機(jī)，實(shí)際上都是依據(jù)我們所知道的兩條基本原則制造的。一條是：導(dǎo)線切割磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一條是：載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。因此，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，任何電機(jī)都包括磁場(chǎng)部分和電路部分。從上述原理可見(jiàn)，任何電機(jī)都體現(xiàn)著電和磁的相互作用，是電、磁這兩個(gè)矛盾著的對(duì)立面的統(tǒng)一。我們?cè)谶@一章里討論直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，就是討論直流電機(jī)中的“磁”和“電”如何相互作用

34、，相互制約，以及體現(xiàn)兩者之間相互關(guān)系的物理量和現(xiàn)象（電樞電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率、電樞反應(yīng)等）。 當(dāng)電壓等級(jí)不夠高時(shí)，在德國(guó)和日本曾用1200V 和1700V 等級(jí)IGBT 構(gòu)成三點(diǎn)式(三電平)逆變器用于750V和1500V 電網(wǎng)。隨著新一代IGBT 迅速發(fā)展，尤其是3300V 等級(jí)IGBT 的批量生產(chǎn)，用這類電壓等級(jí)的模塊(器件)構(gòu)成兩電平(兩點(diǎn)式)逆變器能夠滿足在3300V 電網(wǎng)當(dāng)中的應(yīng)用，因而在上世紀(jì)末國(guó)外生產(chǎn)的地鐵輕軌電動(dòng)車(chē)輛以及部分干線電力機(jī)車(chē)動(dòng)車(chē)都已采用這類高壓HV IGBT 模塊。雖然三電平逆變器較兩電平逆變器具有輸出波形好、電壓上升率也低及損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但是其主電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

35、所用器件多出一倍，這是它不足之點(diǎn)。所以在城軌車(chē)輛中目前都采用IGBT 構(gòu)成的兩電平逆變器，而在干線電力機(jī)車(chē)中，采用4500V 等級(jí)或6500V等級(jí)的HV IGBT 來(lái)構(gòu)成兩電平逆變器。當(dāng)然，由于三電平逆變器輸出的諧波分量低的突出優(yōu)點(diǎn)，目前在日本仍有不少的應(yīng)用。在軌道車(chē)輛上要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和體積小的裝置，采用絕緣式IGBT 模塊比那些非絕緣式的GTO 器件就更能體現(xiàn)出滿足這一要求的特點(diǎn)。通過(guò)采用低感母線技術(shù)以盡量降低母線的寄生電感來(lái)達(dá)到抑制關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓的目的，使逆變器可以取消吸收電路，這樣進(jìn)一步簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，縮小了體積。在1500V網(wǎng)壓下，采用上述技術(shù)可以使其尖峰電能押制在2300V以內(nèi)。

36、應(yīng)用了低感母線技術(shù)的主電路結(jié)構(gòu)不僅在器件數(shù)量上有明顯減少，而且重量和損耗也降低了。碳化硅（SiC）是一種物理化學(xué)特性僅次于金剛石的化合物半導(dǎo)體材料，有著非常優(yōu)秀的物理特性?？蓸O大地提高電力電子變換器的效率，使各類變換器的體積減少到原來(lái)的5%20%，具有耐高壓（達(dá)數(shù)萬(wàn)伏）、耐高溫（大于500 ）的特性,被公認(rèn)為是下一代電力電子器件的最佳候選者之一?，F(xiàn)代高速列車(chē)通過(guò)車(chē)地信息網(wǎng)絡(luò)來(lái)達(dá)到安全運(yùn)行的要求。隨著無(wú)線技術(shù)的日益發(fā)展，無(wú)線技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越被各行各業(yè)所接受。通過(guò)采用先進(jìn)的無(wú)線局域網(wǎng)(LAN)和GPRS/GSM無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)快捷的信息處理；采用無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)；采用無(wú)線通信方式

37、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程列車(chē)設(shè)備檢修數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)技術(shù)等，從而擺脫地面設(shè)備的束縛，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)列車(chē)狀態(tài)的跟蹤運(yùn)行。隨著功率電子器件、功率電子設(shè)備以及變流技術(shù)向著模塊化方向發(fā)展，使得功率模塊的功能、通用性以及性能越來(lái)越強(qiáng)。已成功完成了IGBT、IGCT以及高壓大功率晶閘管的模塊化集成工作，成功解決了各類模塊化器件在集成過(guò)程中產(chǎn)生的控制、驅(qū)動(dòng)以及故障保護(hù)檢測(cè)等問(wèn)題，正朝著體積更小、重量更輕、功率更高、效率更高的方向發(fā)展。4.2直流調(diào)速系統(tǒng)原理直流電機(jī)斬波調(diào)速原理是利用可控硅整流調(diào)壓來(lái)達(dá)直流電機(jī)調(diào)速的目的。利用可控硅的開(kāi)關(guān)特性，控制其通斷時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)斬波，以改變轉(zhuǎn)子兩端的電壓來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)具

38、有相同的結(jié)構(gòu)，只是直流發(fā)電機(jī)是由原動(dòng)機(jī)（一般是交流電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。可見(jiàn)，它是把機(jī)械能變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備。直流電動(dòng)機(jī)則接在直流電源上，拖動(dòng)各種工作機(jī)械（機(jī)床、泵、電車(chē)、電纜設(shè)備等）工作，它是把電能變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備。4.3調(diào)速方案選擇 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法兩類。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步, 發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。如: 由交流電源供電, 使用晶閘管進(jìn)行相控調(diào)壓; 使用硅整流器將交流電整流成直流或由蓄電池等直流電源供電, 再由PWM 斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓等。PWM 驅(qū)動(dòng)裝置與傳統(tǒng)晶閘管驅(qū)動(dòng)裝置比較, 具有下列優(yōu)點(diǎn): 需用的大功率可控器件少, 線路簡(jiǎn)單; 調(diào)速

39、范圍寬; 電流波形系數(shù)好, 附加損耗小; 功率因數(shù)高。可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代直流電機(jī)伺服系統(tǒng)中。其中，直流斬波是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。直流斬波電路實(shí)際上就是直流PWM電路，這是PWM控制技術(shù)應(yīng)用較早也成熟較早的一類電路?；贗GBT等位代表全控型器件的不斷完善給這種控制技術(shù)也提供了強(qiáng)大的物質(zhì)支持。本系統(tǒng)正是基于IGBT的直流斬波電路作為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。第五章 設(shè)計(jì)直流斬波調(diào)速電路該

40、直流電動(dòng)機(jī)的直流斬波調(diào)速系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和主電路三大部分組成。下面詳細(xì)介紹各部分電路的設(shè)計(jì)： 5.1信號(hào)發(fā)生電路 圖5-1 信號(hào)發(fā)生電路 信號(hào)發(fā)生電路，是整個(gè)電路的控制電路，是整個(gè)電路的關(guān)鍵部分。沒(méi)有這部分，就沒(méi)法實(shí)現(xiàn)斬波電路的控制，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。通過(guò)可調(diào)節(jié)的信號(hào)產(chǎn)生的電路，產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，通過(guò)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT的通斷，實(shí)現(xiàn)直流斬波，就能達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的。 該系統(tǒng)是同過(guò)脈沖寬度調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)斬波控制的。信號(hào)發(fā)生電路是由脈沖寬度控制器TL494、可調(diào)電阻和其他電路元件組成，如圖1所示。圖5-2 TL494結(jié)構(gòu)圖TL494 是一種頻率固定的脈沖調(diào)制控

41、制電路，集成了開(kāi)關(guān)電源控制所需要的主要模塊，如圖2所示。內(nèi)部線性的鋸齒波振蕩器頻率由2 個(gè)外部元器件決定，RT 和CT。近似的振蕩頻率可以由下面公式?jīng)Q定： 圖5-3 TL494時(shí)序圖 輸出脈沖寬度調(diào)制是通過(guò)在CT 上的正鋸齒波和2 個(gè)控制信號(hào)中的任意一個(gè)比較而實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)晶體管Q1 和Q2 的或非門(mén)，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入是低電平的時(shí)候才使能，即鋸齒波電壓大于控制信號(hào)時(shí)。因此，增大控制信號(hào)的幅度會(huì)相應(yīng)的減少輸出脈沖的寬度，如圖3所示。 信號(hào)發(fā)生電路中，通過(guò)調(diào)節(jié)電路的R5即RT，改變TL494的振蕩頻率，而使Q1輸出地脈沖寬度發(fā)生變化。以引腳9輸出地Q1脈沖驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)斬波電路的可調(diào)節(jié)控

42、制。5.2 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路 圖5-4 IGBT結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣符號(hào)圖5-5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路 IGBT是一個(gè)三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。由圖4可看出，IGBT是用雙極型晶體管與MOSFET組成的達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基層PNP晶體管。 IGBT是一種場(chǎng)控器件，其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射機(jī)間的電壓決定。該電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。 本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路為IGBT光電隔離門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所

43、示。為使IGBT工作穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)電路按要求使用+15V和15V正、反偏壓的雙電源供電。為使驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)電路隔離，采用抗噪能力強(qiáng)、響應(yīng)快的光耦合器件。輸入信號(hào)通過(guò)U3光耦合器件引入驅(qū)動(dòng)電路，然后通過(guò)推拉式的電路，向IGBT集電極提供電流。由于IGBT的轉(zhuǎn)移特性，當(dāng)其集電極電流增加到一定值時(shí)，其柵射電壓就會(huì)突然上升，這樣，IGBT就導(dǎo)通了。集電極電流下降到一定值或被撤除時(shí)，柵射電壓不足，IGBT又?jǐn)嚅_(kāi)。 在信號(hào)電路發(fā)出信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的光耦器件U3被驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路被接通，向IGBT集電極提供電流，IGBT就導(dǎo)通了。光耦器件恢復(fù)，驅(qū)動(dòng)電流提供的基極電流被切斷，IGBT就關(guān)斷。5.3主電路圖5-6 主

44、電路 主電路是一個(gè)基于IGBT降壓直流斬波電路，可通過(guò)IGBT的通斷，控制電機(jī)兩端電壓的變化，從而達(dá)到直流調(diào)速的目的。如圖6所示。 本電路選取的 IGBT型號(hào)為IRG4IBC30S，參數(shù)為VCES=600V，VCE(on)typ.= 1.4V，VGE = 15V，IC = 18A，屬于N型IGBT。圖5-7 降壓斬波電路 圖7為跟主電路一樣的降壓斬波電路的電路圖，當(dāng)t=0時(shí)，IGBT（即圖中的V）的發(fā)射機(jī)E和柵極G上達(dá)到啟動(dòng)電壓而導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，U0=E，I0按指數(shù)規(guī)律上升; t=t1時(shí)，IGBT關(guān)斷，I0經(jīng)VD續(xù)流，U0近似為零，I0呈指數(shù)規(guī)律下降。其中，電感L的作用是使I0連續(xù)且脈

45、動(dòng)小。降壓斬波電路工作波形如圖2-8 所示。電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值 其中，a導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?。U0最大為E，減小a，U0隨之減小。圖5-8 降壓斬波電路工作波形通過(guò)IGBT通斷時(shí)間控制，占空比改變了，再經(jīng)過(guò)降壓斬波，直流電機(jī)的電樞電壓也得到可調(diào)節(jié)相應(yīng)改變，從而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就得到了調(diào)節(jié)。5.4總電路圖圖5-9 基于IGBT直流斬波直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總電路圖第六章 電路調(diào)試 電路調(diào)試對(duì)電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)有著至關(guān)重要的作用，通過(guò)調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)電路中各種在表面上看不出的問(wèn)題，可幫助我們改良電路使其能夠更好地工作。6.1 信號(hào)發(fā)生電路的調(diào)試 按圖1接好電路，Vcc端接+15V電源，根據(jù)TL4

46、94輸出信號(hào)頻率的計(jì)算公式： 調(diào)節(jié)6號(hào)腳的電阻R5，通過(guò)示波器觀測(cè)輸出端，使其頻率等于5.7KHz。改變5號(hào)腳電容的值也可以改變頻率，試用電阻調(diào)節(jié)明顯更加方便。調(diào)節(jié)電位器R4可以改變輸出方波的占空比，范圍是10%-90%。6.2 驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試 由于控制IGBT通斷需要的電壓較大，用芯片TL494直接驅(qū)動(dòng)是不行的。為了確保IGBT能夠正常通斷，設(shè)計(jì)它的導(dǎo)通和關(guān)斷電壓分別為+15V和-15V。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，信號(hào)通過(guò)光電耦合器進(jìn)入到電路中，Q2和Q3分別輸出-15V和+15V的電壓。6.3 完整電路調(diào)試 當(dāng)信號(hào)發(fā)生電路和驅(qū)動(dòng)電路都沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，便可以把電路全都連接起來(lái)。斬波電路的輸入端接220

47、V的直流，另一端接電機(jī)，電機(jī)的勵(lì)磁繞組接220V直流。接好電路后就可以一邊調(diào)節(jié)信號(hào)方波的占空比一邊觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。通過(guò)觀察得到下表數(shù)據(jù)：表6-1 占空比(%)102030405060708090轉(zhuǎn)速(n/min)162.2334.470.9621.7748.9887.3104611941360第七章 結(jié)論 現(xiàn)在，直流斬波器廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活等實(shí)際情況當(dāng)中，從中國(guó)大面積，多人口，低技術(shù)，少能源等國(guó)情出發(fā)，大力發(fā)展直流電技術(shù)，結(jié)合電力電子技術(shù)，這對(duì)改善我國(guó)科技現(xiàn)狀水平，提高經(jīng)濟(jì)效益將起著重要作用。電力投資的持續(xù)增長(zhǎng)，因此直流斬波器在電力電子行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，它的傳統(tǒng)領(lǐng)域和新領(lǐng)域節(jié)前景非常廣闊直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中，直流斬波便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。直流斬波調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和