压缩机组控制系统

（1）正向特性
IG=0时，器件两端施加正向电压， 只有很小的正向漏电流，为正向 阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo， 则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向 转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。
UA URSMURRM
IA 正向 导通
IH O
IG2
IG1 IG=0
IC IC 饱 和 区
输出特性
•分为三个区域： 正向阻断区、 有源区和饱和 区。
有源区
UGE增加 UGE(th) UFM UCE
URM 反向阻断区 O UGE(th) a) UGE O b)
正向阻断区
转移特性——IC与 UGE间的关系(开启 电压UGE(th))
图1-23 IGBT的转移特性和输出特性
沟道 N+ D a)
图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 图1-19
是单极型晶体管。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。
双向三态门驱动器 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。
电力MOSFET的结构
小功率MOS管是横向导电器件。 电 力 MOSFET 大 都 采 用 垂 直 导 电 结 构 ， 又 称 为 VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电 的 VVMOSFET 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 MOS 结 构 的
应用
20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸 管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
1）GTR的结构和工作原理
图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动
a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 具有三态输出的锁存器 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
四、高压变频控制技术
1、高压变频控制技术序论 随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动 的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。高压电机利用高压变频 器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求， 以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。 近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有 像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为 直接高压型和高-低-高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交 -交变频器和交-直-交变频器，在交-直-交变频器中，按中间直流滤波 环节的不同，可分为电压源型和电流源型。高-低-高型变频器采用变 压器实行输入降压，输出升压的方式，其实质上还是低压变频器， 只不过从电网和电机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等级 技术条件的限制而采取的变通办法，需要输入，输出变压器，存在 中间低压环节电流大，效率低下，可靠性下降，占地面积大等缺点 ，只用于一些小容量高压电机的简单调速。
当前的格局:
IGBT 为 主 体 ， 第 四 代 产 品 ， 制 造 水 平 2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等 新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。
光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置
最高达300MVA，容量最大。 电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是 低压，地位牢固。 功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的 一个共同趋势。
信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；
电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 二者同根同源。
与电力学（电气工程）的关系
电力电子技术广泛用于电气工程中 高压直流输电 静止无功补偿
电力机车牵引
交直流电力传动
电解、电镀、电加热、高性能交直流电源 国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。
雪崩 击穿
电压后，可能导致晶闸管
发热损坏。
-IA
1.4 典型全控型器件· 引言
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久 出现。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一 个崭新时代。 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体 管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
1）GTO的结构和工作原理
结构：
实际应用电路
高压集成电路（High Voltage IC——HVIC）一般指横 向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。
智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC）一般
指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM） 则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。
1+2=1是器件临界导通的条件。
1.4.2
电力晶体管
术语用法：
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨 型晶体管） 。 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为 Power BJT。
UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
（2）反向特性
反向特性类似二极管的反 向特性。 反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿
UA URSMURRM
IA
正向 导通
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。
与控制理论（自动化技术）的关系
控制理论广泛用于电力电子系统中。 电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的
接口；
控制理论是这种接口的有力纽带。 电力电子装臵是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术。
与控制理论（自动化技术）的关系
控制理论广泛用于电力电子系统中。 电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的
工作原理：
与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来 A 分析。 A
P1 N1 G P2 N2 K a) b) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K EA R
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共 基极电流增益1和2 。
压缩机组控制系统
西气东输电驱控制系统总体框图
各功能单元功能说明
• • • • • 1、VSD 2、UCS 3、VSD面版 4、MCC压缩机 5、L0Cal负载控制屏
1.3 与相关学科的关系 与电子学（信息电子学）的关系
都分为器件和应用两大分支。
器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。 应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。
以致 1+2 趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA ，将趋
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应 用 于 高 压 电 力 设 备 中 ， 称 为 光 控 晶 闸 管 （ Light Triggered Thyristor——LTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
1）电力MOSFET的结构和工作原理
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导 电沟道。 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于 （小于）零时才存在导电沟道。
电力MOSFET主要是N沟道增强型。
电力MOSFET的结构
S G N+ P N+ N+ P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b) D D
与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引 出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。
G
K
G
K
G
A
N2
Biblioteka Baidu
P2 N1 P1 A
N2 G K
a)
b)
c)
图1-13 图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
不可控器件—电力二极管· 引言
Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自 20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高 频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具 有不可替代的地位。
8088 CPU的内部寄存器 整流二极管及模块
整流二极管及模块
PN结的状态
与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进
一步提高，同时保持开关频率高的特点 。
1.5.5 功率模块与功率集成电路
基本概念
20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件 封装在一个模块中，称为功率模块。
可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。
对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简 化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等 信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated Circuit——PIC）。
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下 。
1.3.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性
GEM
90% I CM
0 IC
t
d(on)
I t
r
t
CM
t
d(off)
t
f
t
10% I CM 0 U
CE
fi1
t
fi2
t on U
CEM
t off
t
图1-24 IGBT的开关过 t t fv1 fv2 程
U O
CE(on)
t
IGBT的特性和参数特点可以总结如下：
开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比VDMOSFET低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主 要特征。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿
齐纳击穿 均可能导致热击穿
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立 起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。
这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
5、IGBT应用特性
机组的典型控制器和传感器
1) IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极 G E N J3
+
P J2 J1
N+ NN+ P+
导通：uGE 大于开启电压UGE(th) 时，MOSFET内形成沟道， 为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道 消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性
a) 转移特性 b) 输出特性
(2) IGBT的动态特性
IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on)
U 90% U 10% U
GE
U
GEM
GEM
电流上升时间tr
开通时间ton uCE 的下降过程分为tfv1 和 tfv2两段。 tfv1——IGBT中MOSFET单 独工作的电压下降过程； tfv2——MOSFET 和 PNP晶 体管同时工作的电压下降 过程。
接口；
控制理论是这种接口的有力纽带。 电力电子装臵是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术。
按照驱动电路信号的性质，分为两类： 电流驱动型
——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者
关断的控制。
电压驱动型
——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信 号就可实现导通或者关断的控制。
1.2
N
+
P
N+ 漂移区 缓冲区 注入区 G
+ ID RN VJ1 + + IDRon -
C IC C G
C 集电极 a)
E b) c)
图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
IGBT的原理
驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅 射极电压uGE决定。