交流伺服电机及其控制第4章

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1、24828d第4章　交流伺服系统的功率变换电路4.1　交流伺服系统功率变换主电路的构成4.2　功率开关器件4.3　功率变换主电路的设计4.4　PWM控制技术24828d4.1　交流伺服系统功率变换主电路的构成1.整流电路2.滤波电路3.逆变电路4.缓冲电路5.制动电路24828d4.1　交流伺服系统功率变换主电路的构成图4-1　功率变换主电路24828d4.2　功率开关器件4.2.1　功率晶体管(GTR)4.2.2　金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)4.2.3　绝缘栅双极型晶体管(IGBT)24828d4.2.1　功率晶体管

2、(GTR)1.GTR的结构与工作原理2.GTR的静态性能3.GTR的动态性能和动态参数4.GTR的极限参数和安全工作区5.GTR的驱动电路24828d4.2.1　功率晶体管(GTR)图4-2　GTR的结构与电气图形符号a)内部结构断面示意图　b)电气图形符号24828d1.GTR的结构与工作原理GTR的结构和工作原理都与小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率晶体管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。但是GTR的集电极可以通过很大的电流，集电极与发射极之间可以承受很高的电压，并且在实际应

3、用中GTR经常工作在开关状态。GTR的电流放大倍数β一般都很小，为提高电流增益，GTR产品经常将几级达林顿连接封装在一个管壳中。图4-2为GTR的结构与电气图形符号。24828d2.GTR的静态性能图4-3为GTR共射极输出特性曲线，当输入不同的基极电流IB时，就可以得到一组集电极输出电流IC与集电极-发射极电压UCE关系的特性曲线。该曲线族大致可划分为放大区、饱和区、截止区，GTR主要工作在截止区和饱和区。24828d3.GTR的动态性能和动态参数4-3.TIF24828d3.GTR的动态性能和动态参数4-4.TIF24828d4.

4、GTR的极限参数和安全工作区(1)GTR的极限参数(2)二次击穿和安全工作区24828d图4-5　二次击穿特性24828d图4-6　GTR的安全工作区a)正向SOA　b)反向SOA24828d5.GTR的驱动电路(1)导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗。(2)GTR导通期，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。(3)在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流，以加快关断速度，减小关断损耗。(4)应有较强的抗干扰能力，并有一定

5、的保护功能。24828d5.GTR的驱动电路图4-7　推挽式GTR驱动电路24828d图4-8　典型推挽式GTR驱动电路24828d图4-9　变压器正反馈驱动电路及波形a)驱动电路　b)波形24828d4.2.2　金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)1.功率MOSFET的结构与工作原理2.功率MOSFET的特性24828d1.功率MOSFET的结构与工作原理(1)功率MOSFET的结构(2)功率MOSFET的工作原理24828d(1)功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构、等效电路和电气图形符号如图4-10所示。其导

6、通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOSFET相同，但结构上有较大区别，小功率MOSFET是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(VerticalMOSFET)。VMOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积、提高电流密度和耐压。24828d(2)功率MOSFET的工作原理图4-10　功率MOSFET的结构、等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图　b)等效电路　c)电气图形

7、符号24828d2.功率MOSFET的特性(1)转移特性(2)输出特性(3)动态特性(4)MOSFET的安全工作区(5)功率MOSFET的驱动电路24828d图4-11　MOSFET的特性曲线a)转移特性　b)输出特性24828d图4-12　MOSFET的动态特性24828d图4-13　MOSFET的安全工作区24828d4.2.3　绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1.IGBT的基本结构与工作原理2.IGBT的静态特性3.IGBT的动态特性4.擎住效应和安全工作区5.IGBT驱动电路的设计24828d1.IGBT的基本结构与工作原理(1

8、)IGBT的基本结构(2)IGBT的工作原理24828d图4-20　IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)结构　b)简化等效电路　c)电气图形符号24828d2.IGBT的静态特性(1)转移特性(2)输出特性24