第二章伺服控制基础知识PPT课件

第二章第二章 伺服控制基础知识伺服控制基础知识第一部分第一部分：电力电子器件基础：电力电子器件基础引言引言电子技术的基础电子技术的基础电子器件，晶体管和集成电电子器件，晶体管和集成电路。路。电力电子电路的基础电力电子电路的基础电力电子器件电力电子器件电力电子技术就是利用电力电子器件对电能进行电力电子技术就是利用电力电子器件对电能进行变换、控制、开关的技术。变换、控制、开关的技术。主要内容：主要内容：简要概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分类分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特征基本特征、主要主要参数参数以及如何选择使用选择使用。1 1、电力电子器件概述、电力电子器件概述2 2、不可控器件、不可控器件电力二极管电力二极管3 3、半控型器件、半控型器件晶闸管晶闸管4 4、典型全控器件、典型全控器件n2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1 1、概念、概念电力电子器件可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制的电路。2 2、电力电子器件的一般特征、电力电子器件的一般特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件：能处理电功率的大小，远远大于电子器件，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。需考虑器件散热问题。通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。开关频率较高时，器件的开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗：开通损耗关断损耗在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同时还应具有全控功能。理想功率器件的特性理想功率器件的特性电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、保护电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成n2.1.2电力电子系统组成电力电子系统组成控制信号的功率放大和转换：将信息电子电路产生的控制信号放大、转换为加在电力电子器件的驱动信号。使驱动信号的前后触发沿更陡直，使电力电子器件工作在较理想的开关状态，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件相对比较昂贵，承受过电压和过电流的能力相对差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行。保护电路保护电路按器件的能控制程度分：按器件的能控制程度分：1)半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）1)不可控器件不可控器件电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。晶闸管（Thyristor）器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定1)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。n2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按器件内部两种载流子参与导电的情况分按器件内部两种载流子参与导电的情况分：1)单极型器件单极型器件 2)双极型器件双极型器件3)复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 按器件控制端所加信号的性质分按器件控制端所加信号的性质分：1)电流驱动型电流驱动型2)电压驱动型电压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 AKAKKIAPNJb)c)VD2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1、基本结构和工作原理与二极管一样，但PN结面积较大。正向导通，反向截止状态2、功率二极管主要用于不可控整流和续流。3、电力二极管的外形、结构和电气图形符号。-+uiV1V2V3V4uo+-RL2.整流电路整流电路1.续流电路续流电路4 4、电力二极管的基本特性、电力二极管的基本特性静态特性伏安特性 IO UTOU1）正向平均电流）正向平均电流IF(AV)额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。5 5、电力二极管的主要参数、电力二极管的主要参数2）反向耐压）反向耐压3）正向压降）正向压降4)反向漏电流反向漏电流主要应按照正向额定电流、反向耐压、正向压降、反向漏电流等参数进行选择。频率高时要特别注意电力二极管的反向恢复特性。例例.普通二极管，普通二极管，又称整流二极管多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。6 6、电力二极管的选择依据、电力二极管的选择依据n1.普通二极管n2.快恢复二极管，简称快速二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5 s以下）。n3.肖特基二极管7 7、电力二极管的主要类型、电力二极管的主要类型反向恢复时间很短（1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低时，其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管，但当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管要小，效率高 n引言2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管：可控硅整流器，英文缩写SCR。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J32.3.1 晶闸管结构和工作原理晶闸管结构和工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。图 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形 b)结构 c)电气图形符号RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理承受反向电压时，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。晶闸管正常工作时的特性如下：晶闸管正常工作时的特性如下：2.3.2 2.3.2 晶闸管的基本特征晶闸管的基本特征其他几种可能导通的情况：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。光直接照射硅片，即光触发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。光控晶闸管。其它都因不易控制而难以应用于实践，或造成误触发而导致误动作。晶闸管的基本特征晶闸管的基本特征伏安特性伏安特性1)正向特性：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流过，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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。晶闸管反向特性类似于二极管。1.电压定额电压定额在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。1)断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM2.3.3 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器中较小的标值作为该器件的额定电压。件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。2.电流定额电流定额使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。2)维持电流维持电流 IH 1)通态平均电流通态平均电流 IT(AV)补充知识：晶闸管整流电路的基本概念补充知识：晶闸管整流电路的基本概念n控制角控制角 从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通这一角度。n导通角导通角 晶闸管在一个周期内导通的电角度。n移相移相改变控制角的大小，即改变触发脉冲出现的相位。n移相控制移相控制n移相范围移相范围:控制角的允许调节范围。单相半波可控整流单相半波可控整流直流平均电压直流平均电压 Ud 与控制角与控制角 的关系的关系:Ud=f()2cos1(U0.45tdsinU221U22dt晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路单相全控桥式整流电路（单相全控桥式整流电路（R负载）负载）)2cos1(U0.9tdsinU21U22dt输出平均电压输出平均电压 Ud2.3.4 2.3.4 双向晶闸管双向晶闸管触发后双向导通，主电路电流可双向流过。门极所加的触发信号可正可反，均可使双向晶闸管触发导通。可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有四种触发方式，但在第一、第三象限可实现最可靠的触发，一般不要用第二、第四象限来触发。有两个主电极MT1和MT2，一个门极G，靠近门极G的电极为MT1，是参考电极。IOUIG=0GMT2MT1可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。开关频率不高，一般只能用于频率小于等于开关频率不高，一般只能用于频率小于等于60HZ的正弦电压电源中的正弦电压电源中符号对比：符号对比：1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管,开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。但因其能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合仍具有重要地位。半控型器件总结：半控型器件总结：2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。是晶闸管的一种派生器件。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)G图 GTO的内部结构 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 1.GTO1.GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结构：与普通晶闸管的相同点相同点：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不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。工作原理：工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图示的双晶体管模型来分析。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。有利门极控制关断，但导通时管压降增大。GTO关断过程：强烈正反馈。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。GTO的门级开通控制电门级开通控制电流的流的脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流。GTO关断关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t62.GTO2.GTO的门极控制信号的门极控制信号缺点：缺点：门级反向关断电流大，门级反向关断电流大，电流关断增益 off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。双极性电流驱动型器件由于有少子存储效应，开关频率不高开关频率不高。2.4.2 电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR）与普通的双极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。三大系列：单管GTR、达林顿GTR、GTR模块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。单管GTR的电流放大系数 小，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成，并集成有辅助电路，组成达林顿模块。达林顿模块达林顿模块达林顿管达林顿管晶闸管晶闸管 GTO音像用音像用GTR开通驱动电流应使开通驱动电流应使GTR处于处于准饱和导通状态，使之不进准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。入放大区和深饱和区。关断关断GTR时，施加一定的负时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅应在基射极之间施加一定幅值（值（6V左右）的负偏压。左右）的负偏压。tOib 图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形GTR器件的驱动电流器件的驱动电流 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOSMOS型型，简称电力MOSFET。导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。特点特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。增强增强N沟道沟道MOS场效应管场效应管2.工作原理工作原理1.结构与符号结构与符号G为栅极、为栅极、D为漏极、为漏极、S为源极。为源极。又由于栅极与源极、漏极均无电又由于栅极与源极、漏极均无电的接触，故又称为绝缘栅极。的接触，故又称为绝缘栅极。衬底引线dgsSiO2 P型硅衬底NNgds将开始形成导电沟道的栅源电将开始形成导电沟道的栅源电压称为开启电压，用压称为开启电压，用 来来表示。对于增强型表示。对于增强型N沟道沟道MOS场效应管当场效应管当 时，没有导时，没有导电沟道，只有电沟道，只有 时才时才有导电沟道，有导电沟道，uthGS0uGS uuthGSGSUDssiDUGsdgP型硅衬底NN电力电力MOSFET的开关速度的开关速度MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。而关断过程非常迅速。开关时间在开关时间在10100ns之间，工作频率可达之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFET开通的驱动电压一般开通的驱动电压一般1015V，使，使IGBT开通的驱动电压一般开通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。）有利于减小关断时间和关断损耗。电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路GTR和和GTO的特点的特点双极型，电流驱动，双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，导通压降有电导调制效应，通流能力很强，导通压降小；少子存储效应使开关速度较低；所需驱小；少子存储效应使开关速度较低；所需驱动功率大，驱动电路复杂。动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开单极型，电压驱动，开关速度快，通态阻抗高，热稳定性好，所需关速度快，通态阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。驱动功率小而且驱动电路简单。2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）nGTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。n1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。n继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。n电流容量10400A，电压等级5001400V，工作频率1030KHz。nIGBT是在电力MOSFET的基础上发展起来的，其工作原理和驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。n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。n导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。n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。1.IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonGCIGBT是以是以GTR为主导元件，为主导元件，MOSFET为驱动元件为驱动元件的达林顿结构。的达林顿结构。IGBT中双极型中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处导通压降小，但也引入了少导调制效应的好处导通压降小，但也引入了少子储存现象，因而子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折中的参数。折中的参数。IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)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。(3)通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)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。小结小结:电压驱动型电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH 特点特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型电流驱动型：双极型器件中除SITH外 特点特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。当前的格局当前的格局:IGBT为主体，第四代产品，制造水平为主体，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，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。光控晶闸管：功率更大场合，光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达，装置最高达300MVA，容量最大。，容量最大。电力电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。地位牢固。三相整流桥三菱电机第4代DIPIPM双列直插式智能功率模块DIPIPM作为变频家电功率转换部分的核心元件，它集成了功率器件及其驱动保护芯片，从而大大减少电力损耗达到节能效果。IGBT模块模块 power integrated module封装应用领域