正弦波逆变器综述.docx

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正弦波逆变器综述

正弦波逆变器

一・引言

所谓逆变器，是指整流器的逆向变换装置。

其作用是通过半导体功率开关器件（例如GTO.GTR,功率MOSFET和IGBT等）的开通和关断作用，把直流电能换成交流电能，它是一种电能变换装置。

逆变器，特别是正弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS电源。

逆变器的负载多半是感性负载。

为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应能反馈回电源。

因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的变换器，即它既可以把直流电能传输到交流负载侧，也可以把交流负载中的无功电能反馈回直流电源。

逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。

1948年，美国西屋（Westinghouse）电气公司用汞弧整流器制成了3000HZ的感应加热用逆变器。

1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。

1956年，第一只晶体管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。

在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展。

首先出现的是SCR电压型逆变器。

1961年,W.McMurray与B.D.Bedford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。

1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。

1962年，A.Kernick提出了“谐波中和消除法S即后来常用的“多重叠加法S这标志着正弦波逆变器的诞生。

1963年，F.GTurnbull提岀了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化LI标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。

20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。

80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管PowerMOSFET.绝缘门极晶体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT,以及MOS晶体管MGT等。

这就是、使电力电子技术山传统发展时代进入到高频化时代。

在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷。

特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。

1964年，由A.Schonung和H・Stemmier提岀的、把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术（Sinusoida-PWM,简称SPWM）,山于当时开关器件的速度慢而未得到推广。

直到1975年才山Bristol大学的S.R.Bowse等把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展，也使正弦波逆变技术达到了一个新高度。

此后，各种不同的PWM技术相继出现，例如注入三次谐波的PWM、空间相量调制（SVM）、随机PWM、电流滞环PWM等，成为高速器件逆变器的主导控制方式。

至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。

二.正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理

2.1可关断晶体管（GTO）

可关断晶体管简称GTO。

它是晶闸管的一种派生器件，因此它具有SCR的全部优点，如耐压高.电流大、耐浪涌能力强，造价便宜等；但它乂具有像GTR自关断那样具有自关断能力，因而不再是半控型的器件而成为全控型器件，工作频率高、控制功率小、线路简单，使用方便。

因此，GTO是一种比较理想的大功率开关器件。

正因为GTO的这些优点，近年来，GTO在牵引、高压、大容量

调速.无功补偿等方面获得了广泛得使用。

GTO是一种PNPN四层结构的半导体器件，它的结构，等效电路图及图形符号示于图2.1・1中。

图2.1-1

图中A、G和K分别表示GTO的阳极，门极和阴极。

Qi为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，a2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数，图中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。

通常比小，即P1X1P2晶体管不灵敬，而N2P2门晶体管灵敏。

GT0导通时器件总的放大系数ai+a2稍大于己于1,器件处于临界饱和状态，为用门极负信号去关断阳极电流提供了可能性。

普通晶体管SCR也是PNPN四层结构，外部引岀阳极，门极和阴极，构成一个单元器件。

GT0外部同样引出三个电极，但内部却包含着数百个共阳极的小GT0,一般通常把这些小GT0称为GT0元，它们的门极和阴极分别并联在一起，与SCR不同，GT0是一种多元的功率集成器件，这是为便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。

GTO的开通和关断过程与每一个GTO元密切相关，但GTO元的特性乂不等同于整个GTO器件的特性，多元集成使GTO的开关过程产生了一系列新的问题。

山图2.17（b）中所示的等效电路可以看出，当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通，其具体过程如下：

显然这是一个正反馈过程。

当流入的门极电流/G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使P1N2P2晶体管的发射极电流也增加时，当ai+Q2>1之后，两个晶体管均饱和导通，GT0则完成了导通过程。

可见，GT0开通的条件是

ai+a2>1（2-1）

此时门极的电流/G为

（2-2）

Ig=[1一（ai+a2）]/a/a2

式中h一GTO的阳极电流;

ig—gton极注入的电流。

山式

（2）可知，当GTO门极注入正的/G电流但尚不能满足开通条件时，虽有正反馈作用，但器件仍不会饱和导通。

这是因为门极电流不够大，不满足ai+a2>1的条件，这时候，阳极电流只流过一个不大而且是确定的电流值。

当门极电流/G撤消后，该阳极电流也就消失。

与ai+a2=1状态所对应的阳极电流为临界导通电流，定义为GTO的擎住电流。

当GTO在门极正触发信号的下开通时,只有阳极电流大于擎住电流后，GTO才能维持大面积导通。

曲此可见，只要能引起和变化并使之满足a1+°2〉1条件的任何因素，都可以导致PNPN四层器件的导通。

所以，除了注入门极电流使GTO导通外，在一定条件下过高的阳极电压和阳极电圧上升率，过高的结温以及火花发光照射等均可能使GTO触发导通。

所有这些非门极触发都是不希望的非正常触发，应采取适当措施加以防止。

实际上，因为GTO是多元集成结构，数百个以上的GTO元制作在同一硅片上，而GTO元特性总会存在差异，使得GTO元的电流分布不均，通态压降不一,其至会在开通过程中造成个别GTO元的损坏，以致引起整个GTO的损坏。

为此,

要求在制造时尽可能的使硅片微观结构均匀，丄艺装备和工艺过程严格控制，以求最大限度达到所有GTO元特性的一致性。

另外，要提高正向门极触发电流脉冲上升沿陡度，以求缩短GTO元阳极电流滞后时间、加速GTO元阴极导电面积

@2.1-2

由于大容量GTO多是采用压接结构。

因此，需要使每个元胞特性均匀一致的工艺以及均匀一致的压积压，一致的接触电阻。

这在工艺上咳采取离子注入法

施以负偏置电压Eg。

晶体管P1N1P2的集电极电流Zci被抽出形成门极负电流一/g,此时N2P2N1晶体管的基极电流减小，进而使/C2减小。

于是引起/C1的进一步下降，如此循环不已，最终

导致GTO的阳极电流消失而关断。

现在，GTO的主要技术方向，仍是大电流、高耐压。

这就需要改善元胞特性，并改善每个元胞及结构的一致性、均匀性。

这要从改善元胞的微细化和少子寿命控制的最佳化入手，,

和压接式结构。

压接式结构容易保证接触一致性，避免山合金烧结产生的受热不均匀以及应力等问题。

GTO因为利用了电导调制效应，在关断后有拖尾电流流过。

这样，关断损耗将成为限制其高压下应用的一个主要原因。

与晶闸管相比，GTO具有快的关断速度，高的关断电流容量和大的关断安全工作区。

它代表了晶闸管发展的主要方向。

2.2电力晶体管（GTR）

电力晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管，山于其功率非常大，所以，它乂被称作为巨型晶体管，简称GTR。

GTR是由三层半导体材料两个PN结组成的，三层半导体材料的结构形式可以是PNP,也可以是NPN。

大多数双极型功率晶体管是在重掺质的N+硅衬底上用外延生长法在N+上生长一层N漂移层，然后在漂移层上扩散P基区，接着扩散N+发射区，因之称为三重扩散。

基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。

GTR分为NPN型和PNP型两类，乂有单管GTR、达林顿式GTR（复合管）和GTR模块儿种形式。

单管GTR饱和压降Vces低，开关速度稍快，但是电流增益0小，电流容量小，驱动功率大，用于较小容量的逆变电路。

达林顿式GTR电流增益0值大，电流容量大，驱动功耗小，但饱和压降Vces较高，关断速度较慢。

和单管GTR-样，达林顿式非模块化的GTR在现代逆变电路中早已不太常用。

应用比较广泛的还是GTR模块。

它是将两只或4只、6只、其至7只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，分别组成单桥臂、单相桥、三相桥和带泄放管的三相桥形式，外壳绝缘，便于设计和安装。

在逆变电路中，GTR都匸作在共发射极状态，其输出特性曲线是指集电极电流IC和电压VCE以及基极电流屁之间的关系，如图2.2-1所示。

GTR的特性曲线分5个区。

I区为截止区，/B=0,/C很小，为CE漏电流。

II区为线性放大区，当/B增加时Me也跟随/B线性增加。

随着We继续降低，7c已没有增长能力，这就进入了深度饱和区，即第IV区。

这时的Uce称为GTR的饱和压降，用VCES表示，它比GTO和VMOSFET要低。

V区为击穿区，当Uce增加到一定值时，即使/B不增加，/c也会增加，这时的Uce就是GTR的一次击穿电压。

如果Uce继续增加，/c也增加，由于GTR具有负阻特性，当结温上升时，/c更大。

由于整个管芯的导电不可能绝对均匀，大的/c会产生集中热点，从而发生雪崩击穿，/c骤增。

这时候，即使降低We也无济于事，高速增长的热量无法散出，在很短时间内（儿微秒其至儿纳秒）便使GTR被永远地烧坏。

这就是GTR的二次击穿现象，它是GTR最致命的弱点，也是限制GTR发展和进一步推广应用的最重要的原因之一。

电力晶体管GTR大多作功率开关使用，所以，要求它要有足够的容量（高电压、大电流）、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。

但山于电力晶体管的功率损耗大、工作电流大，因此它存在着诸如基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等特点和问题。

基区大注入效应是指基区中的少数载流子浓度达到或超过掺杂浓度时，器件的注入效率降低，少数载流子扩散系数变大，体内少数载流子寿命下降，以致严重影响GTR的电流增益的现象。

基区扩展效应是指在大电流条件下有效基区变宽的效应。

器件在小电流状态工作时的集电结宽度主要山基区掺杂浓度决定，因此其增益0值是固定的；但在大电流条件下，山于基区中少数载流子大量增加造成集电结宽度收缩，因而，使有效基区变宽。

基区的扩展导致注入效率降低，增益0下降、特征频率减小。

发射极电流集边效应也称为基极电阻自偏压效应，是山于在大多数情况下电流条件下，基区的横向圧降使得发射极电流分配不均匀所造成的。

在这种情况下,电流的分布较多地集中在鼎近基极的发射极周边上，引起电流的局部集中，进而导致局部过热。

所以，为了削弱上述三种物理效应的影响，必须在结构上采取适当的措施以保证适合大功率应用的需要。

2.3功率场效应晶体管（PowerMOSFET）

功率场效应晶体管简称功率MOSFET,它是一种以晶体管原理为基础，将微电子技术的发展成果应用到电力电子领域中的单极型的电压控制器件，不但有自关断能力，而且有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点。

功率MOSFET按其结构分类，它的主要代表性器件有LDMOSFET,WM0SFET,