PWM逆变器中GTO晶闸管的开关损耗和工作频率极限

pwm逆变电路的控制方法
PWM（脉宽调制）逆变电路是将直流电转换为交流电的一种常用电路，其控制方法主要分为以下几种：
1. 三相全桥PWM逆变控制方法：该方法采用三相全桥电路进行控制，通过改变脉冲的宽度和频率来控制输出电压的大小和波形，从而实现对直流电的转换。

2. 三相半桥PWM逆变控制方法：该方法利用三相半桥电路进行控制，具有体积小、效率高等优点，但需要较高的开关功率器件，应用范围较窄。

3. 单相PWM逆变控制方法：该方法适用于小功率电源转换，其控制方法与三相全桥PWM逆变控制方法类似，但只需使用单相电路即可。

控制方法一般采用微处理器等芯片进行控制，通过控制芯片输出PWM信号的占空比和频率来控制输出电压。

在具体控制过程中，需要注意电路参数的选择和设置，以及保护措施的实施，确保电路稳定、安全地工作。

总之，PWM逆变电路的控制方法多种多样，具体选择何种方法取决于具体的应用场景和要求，需要根据实际情况进行选择和优化。

模拟题（1）一、填空题(每小空1分，共13分)1．正弦脉宽调制（SPWM）技术运用于电压型逆变电路中，当改变_ _ 调制比可改变逆变器输出电压幅值；改变_ 调制波频率可改变逆变器输出电压频率；改变_ 载波频率可改变开关管的工作频率。

2.将直流电能转换为交流电能又馈送回交流电网的逆变电路称为有源逆变器。

3. 晶闸管变流器主电路要求角发电路的触发脉冲应具有一定的宽度，且前沿尽可能陡。

4. 电流型逆变器中间直流环节以电感贮能。

5. 在PWM斩波器中，电压比较器两个输入端信号分别是三角波信号和直流信号6 . 三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差120°。

7.在实际应用中，双向晶闸管常采用__Ⅰ+和Ⅲ-_两种触发方式。

8.控制角α与逆变角β之间的关系为β=л-α。

二、单项选择题(每小题2分，共30分。

从每小题的四个备选选答案，选出一个正确答案，并将正确答案的填在题干后面的括号。

)1．在型号为KP10-12G中，数字10表示（B ）。

A.额定电压10VB.额定电流10AC.额定电压1000VD.额定电流1000A 2．下列电路中，不可以实现有源逆变的有（B）。

A.三相半波可控整流电路B.三相桥式半控整流电路C.单相桥式可控整流电路D.单相全波可控整流电路外接续流二极管3.整流变压器漏抗对电路的影响有（A ）。

A.整流装置的功率因数降低B.输出电压脉动减小C.电流变化缓和D.引起相间短路4．功率晶体管GTR 从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象称为（ B ）①一次击穿 ②二次击穿 ③临界饱和 ④反向截止5．逆导晶闸管是将大功率二极管与何种器件集成在一个管芯上而成( B )①大功率三极管 ②逆阻型晶闸管 ③双向晶闸管 ④可关断晶闸管6.已经导通了的晶闸管可被关断的条件是流过晶闸管的电流（A ）①减小至维持电流I H 以下 ②减小至擎住电流I L 以下③减小至门极触发电流I G 以下 ④减小至5A 以下7. 单相半波可控整流电路中，晶闸管可能承受的反向峰值电压为（ B ）①U 2 ②22U ③222U ④26U8. 单相半控桥电感性负载电路中，在负载两端并联一个续流二极管的目的是（ D ）①增加晶闸管的导电能力 ②抑制温漂③增加输出电压稳定性 ④防止失控现象的产生9. 三相全控桥式变流电路工作于有源逆变状态，输出电压平均值U d 的表达式是（ A ）①U d =- 2.34U 2cos β ②U d =1.17U 2cos β③U d = 2.34U 2cos β ④U d =-0.9U 2cos β10. 若减小SPWM逆变器输出电压基波幅值，可采用的控制方法是（C）①减小三角波频率②减小三角波幅度③减小输入正弦控制电压幅值④减小输入正弦控制电压频率11. 当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极加何种极性触发电压，管子都将工作在( B )A.导通状态B.关断状态C.饱和状态D.不定12. 单相半波可控整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相围是( D )A.90°B.120°C.150°D.180°13. 单相全控桥式整流大电感负载电路中，控制角α的移相围是( A )A.0°～90°B.0°～180°C.90°～180°D.180°～36014.在大电感负载三相全控桥中，当α=90°时，整流电路的输出是( B )A.U2B.0C.1.414U2D.1.732U215．单结晶体管同步振荡触发电路中，改变R e能实现（A）。

GTO-PWM式电流源型变频器采用GTO作为逆变部分功率器件，见图5。

GTO可以通过门极进行关断，所以它不象晶闸管那样需要用于强迫关断的换流电路，可使主电路结构简化。

对于额定电压为交流6KV的变频器，逆变器侧可采用每三个6000V的GTO串联，作为一个开关使用，一共由18个GTO组成，GTO串联时，同样存在稳态和动态均压问题。

GTO是在晶闸管基础上发展起来的全控型电力电子器件，目前的电压电流等级可达6000V，6000A。

GTO开关速度较低，损耗大，需要庞大的缓冲电路和门极驱动电路，增加系统的复杂性和成本，使其应用受到限制。

GTO中数千只独立的开关单元做在一个硅片上，由于开关不均匀，需要缓冲电路来维持工作，以限制器件承受的dv/dt，缓冲电路一般采用RCD型结构，二极管和电容必须有与GTO相同的耐压等级，二极管要求用快恢复二极管。

缓冲电路的损耗产生热量，影响器件的可靠运行，并且影响变频器的效率。

为了降低损耗，也有采取能量回馈型缓冲电路的方案，通过DC/DC变换电路把缓冲电容中储存的能量返回到中间直流环节，但增加了装置的复杂性。

GTO的开关频率较低，一般在几百赫兹，比如300HZ。

以6000V，3000A(最大可关断阳极电流值)的GTO为例，通态平均电流为1030A，通态压降3.5V，门极开通触发电流1A，通态阳极电流上升率400A/us(f=200HZ条件下)，滞后时间2.5us，上升时间5us，存储时间25us，下降时间3us，最小通态维持时间100us，最小断态维持时间100us，开通每脉冲能耗2.5Ws，关断每脉冲能耗16Ws。

GTO的门极驱动，除了需要晶闸管一样的导通触发脉冲外，还需要提供相当大的的反向关断电流，上述GTO的门极峰值关断电流就达900A，所以GTO的门极驱动峰值功率非常大。

与输出滤波器换相式电流源型变频器相比，GTO-PWM式电流源型变频器输出滤波电容的容量可以大大降低，但不能省去。

0-1. 什么是电力电子技术 ?电力电子技术是应用于电力技术领域中的电子技术；它是以利用大功率电子器件对能量进行变换和控制为主要内容的技术。

国际电气和电子工程师协会（ IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的定义为：“有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。

”0-2. 电力电子技术的基础与核心分别是什么?电力电子器件是基础。

电能变换技术是核心.0-3. 请列举电力电子技术的 3 个主要应用领域。

电源装置 ; 电源电网净化设备 ; 电机调速系统 ; 电能传输和电力控制 ; 清洁能源开发和新蓄能系统 ; 照明及其它。

0-4. 电能变换电路有哪几种形式?其常用基本控制方式有哪三种类型AD-DC整流电 ;DC-AC逆变电路 ;AC-AC 交流变换电路 ;DC-DC直流变换电路。

常用基本控制方式主要有三类：相控方式、频控方式、斩控方式。

0-5. 从发展过程看，电力电子器件可分为哪几个阶段? 简述各阶段的主要标志。

可分为：集成电晶闸管及其应用；自关断器件及其应用；功率集成电路和智能功率器件及其应用三个发展阶段。

集成电晶闸管及其应用：大功率整流器。

自关断器件及其应用：各类节能的全控型器件问世。

功率集成电路和智能功率器件及其应用：功率集成电路（ PIC），智能功率模块（ IPM）器件发展。

0-6. 传统电力电子技术与现代电力电子技术各自特征是什么?传统电力电子技术的特征：电力电子器件以半控型晶闸管为主，变流电路一般为相控型，控制技术多采用模拟控制方式。

现代电力电子技术特征：电力电子器件以全控型器件为主，变流电路采用脉宽调制型，控制技术采用 PWM 数字控制技术。

0-7. 电力电子技术的发展方向是什么?新器件：器件性能优化，新型半导体材料。

高频化与高效率。

集成化与模块化。

数字化。

绿色化。

1-1. 按可控性分类，电力电子器件分哪几类?按可控性分类，电力电子器件分为不可控器件、半控器件和全控器件。

GTO驱动电路门极可关断晶闸管GTO驱动电路1.电⼒电⼦器件驱动电路简介电⼒电⼦器件的驱动电路是指主电路与控制电路之间的接⼝，可使电⼒电⼦器件⼯作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减⼩开关损耗，对装置的运⾏效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

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。

驱动电路的基本任务：按控制⽬标的要求施加开通或关断的信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号；⼜要提供关断控制信号。

门极可关断晶闸管简称GTO, 是⼀种通过门极来控制器件导通和关断的电⼒半导体器件，它的容量仅次于普通晶闸管，它应⽤的关键技术之⼀是其门极驱动电路的设计。

门极驱动电路设计不好，常常造成GTO晶闸管的损坏，⽽门极关断技术应特别予以重视。

门极可关断晶闸管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。

2.GTO驱动电路的设计要求由于GTO是电流驱动型，所以它的开关频率不⾼。

GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

⽤理想的门极驱动电流去控制GTO 的开通和关断过程，以提⾼开关速度，减少开关损耗。

GTO要求有正值的门极脉冲电流，触发其开通；但在关断时，要求很⼤幅度的负脉冲电流使其关断。

因此全控器件GTO的驱动器⽐半控型SCR复杂。

门极电路的设计不但关系到元件的可靠导通和关断, ⽽且直接影响到元件的开关时间、开关损耗, ⼯作频率、最⼤重复可控阳极电流等⼀系列重要指标。

门极电路包括门极开通电路和门极关断电路。

GTO对门极开通电路的要求:GTO的掣住电流⽐普通晶闸管⼤得多, 因此在感性负载的情况下, 脉冲宽度要⼤⼤加宽。

此外, 普通晶闸管的通态压降⽐较⼩, 当其⼀旦被触发导通后, 触发电流可以完全取消, 但对于GTO, 即使是阻性负载, 为了降低其通态压降,门极通常仍需保持⼀定的正向电流, 因此, 门极电路的功耗⽐普通品闸管的触发电路要⼤的多。

第1章 电力电子器件习题答案1.晶闸管导通的条件是什么?关断的条件是什么? 答: 晶闸管导通的条件:① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。

② ②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。

晶闸管关断的条件:要关断晶闸管,必须使其阳极电流减小到一定数值以下,或在阳极和阴极加反向电压。

2.为什么要限制晶闸管的通态电流上升率?答:因为晶闸管在导通瞬间,电流集中在门极附近,随着时间的推移,导通区才逐渐扩大,直到全部结面导通为止。

在刚导通时,如果电流上升率/di dt 较大,会引起门极附近过热,造成晶闸管损坏，所以电流上升率应限制在通态电流临界上升率以内。

3.为什么要限制晶闸管的断态电压上升率？答：晶闸管的PN 结存在着结电容，在阻断状态下，当加在晶闸管上的正向电压上升率/du dt 较大时，便会有较大的充电电流流过结电容，起到触发电流的作用，使晶闸管误导通。

因此，晶闸管的电压上升率应限制在断态电压临界上升率以内。

4.额定电流为100A 的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是多少？ 解：额定电流为100A 的晶闸管在不考虑安全裕量的情况下，允许的电流有效值为：A I I 15710057.157.1T(AV)T =⨯==晶闸管在流过全波电流的时候，其有效值和正弦交流幅值的关系为：2d )sin (1m 02m T I t t I I ==⎰πωωπ其平均值与和正弦交流幅值的关系为：πωωππmm d 2d sin 1I t t I I ==⎰则波形系数为：11.122dT f ===πI I K则晶闸管在流过全波电流的时候，其平均值为：A K I I 1.14111.1157fT d ===所以，额定电流为100A 的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是141.4A 。

5.晶闸管中通过的电流波形如下图所示，求晶闸管电流的有效值、平均值、波形系数及晶闸管额定电流。

解：晶闸管电流的有效值为A I t I I 5.11532003d 21m 3202m T ====⎰πωπ晶闸管电流的平均值为A I t I I 7.6632003d 21m 320m d ====⎰πωπ波形系数为732.17.665.115dT f ===I I K晶闸管的额定电流为A I I 120)2~5.1(57.1T T(AV)=⨯=6.比较GTO 与晶闸管的开通和关断，说明其不同之处。

第一章第1章 思考题与习题1.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。

导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A 决定。

1.2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流I A 减小，I A 下降到维持电流I H 以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。

进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A 决定。

1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流I H 会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。

1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：(1) I g =0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt 过高；(3) 结温过高。

1.5请简述晶闸管的关断时间定义。

答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。

即gr rr q t t t +=。

1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。

1.7请简述光控晶闸管的有关特征。

答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。

主要用于高压大功率场合。

1.8型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)图题1.8答：（a ）因为H A I mA K VI <=Ω=250100，所以不合理。

可关断晶闸管主要参数GTO有很多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。

(1) 最大可关断阳极电流IATO电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。

(2) 关断增益offGTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IgM之比，off通常只有5左右。

门极驱动电路和缓冲电路1. 可关断晶闸管的门极驱动电路影响GTO导通的主要因素有：阳极电压、阳极电流、温度和门极触发信号等。

阳极电压高，GTO导通简单，阳极电流较大时易于维持大面积饱和导通，温度低时，要加大门极驱动信号才能得到与室温时相同的导通效果。

(1) 对门极触发信号的要求由于GTO工作在临界饱和状态，所以门极触发信号要足够大，脉冲前沿(正、负脉冲)越陡越有利，而后沿平缓些好。

正脉冲后沿太陡会产生负尖峰脉冲；负脉冲后沿太陡会产生正尖峰脉冲，会使刚刚关断的GTO的耐压和阳极承受的du/dt降低。

为了实现强触发，门极正脉冲电流一般为额定触发电流(直流)的(3～5)倍。

(2) 门极触发方式GTO门极触发方式通常有下面三种：① 直流触发在GTO被触发导通期间，门极始终加有直流触发信号。

② 连续脉冲触发在GTO被触发导通期间，门极上仍加有连续触发脉冲，所以也称脉冲列触发。

③ 单脉冲触发即常用的脉冲触发，GTO导通之后，门极触发脉冲即结束。

采纳直流触发或脉冲列触发方式GTO的正向管压降较小。

采纳单脉冲触发时，假如阳极电流较小，则管压降较大，用单脉冲触发，应提高脉冲的前沿陡度，增大脉冲幅度和宽度，才能使GTO的大部分或全部达饱和导通状态。

缓冲电路汲取过电压的有效方法是在器件两端并联一个汲取过电压的阻容电路。

假如汲取电路元器件的参数选择不当，或连线过长造成分布电感LS过大等，也可能产生严峻的过电压。

缓冲电路元件的选择应选取较小的RS，RS的阻值一般应选取10Ω～20Ω 。

RS不应选用线绕式的，而应是涂膜工艺制作的无感电阻。

门极可断晶闸管(gate turn-off thyristor,GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。

处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后，GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流，GTO 由通态转入断态。

由于不需用外部电路强迫阳极电流为0而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。

这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。

因此，GTO是一种比较理想的大功率开关器件。

一、结构与工作原理1、结构GTO是一种PNPN4层结构的半导体器件，其结构、等效电路及图形符号示于图1中。

图1中A、G和K分别表示GTO 的阳极、门极和阴极。

α1为P1N1P2晶体管的共基极电流放大系数，α2为N2P2N1晶体管的共基极电流放大系数，图1中的箭头表示各自的多数载流子运动方向。

通常α1比α2小，即P1N1P2晶体管不灵敏，而N2P2N1晶体管灵敏。

GTO导通时器件总的放大系数α1+α2稍大于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。

普通晶闸管SCR也是PNPN4层结构，外部引出阳极、门极和阴极，构成一个单元器件。

GTO称为GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起。

与SCR 不同，GTO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元的特性又不等同于整个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。

2、开通原理由图1（b）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，其具体过程如图2所示。

显然这是一个正反馈过程。

当流入的门极电流I G足以使晶体管N2P2N1的发射极电流增加，进而使晶体管P1N1P2的发射极电流也增加时，α1和α2增加。

1、为减少自身损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在_________状态。

当器件的工作频率较高时，_________损耗会成为主要的损耗。

2、在PWM控制电路中，载波频率与调制信号频率之比称为_____________，当它为常数时的调制方式称为_________调制。

在逆变电路的输出频率范围划分成若干频段，每个频段内载波频率与调制信号频率之比为桓定的调制方式称为____________调制。

3、面积等效原理指的是，_________相等而_______不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

4、在GTR、GTO、IGBT与MOSFET中，开关速度最快的是_________，单管输出功率最大的是_____________，应用最为广泛的是___________。

5、设三相电源的相电压为U2，三相半波可控整流电路接电阻负载时，晶闸管可能承受的最大反向电压为电源线电压的峰值，即，其承受的最大正向电压为。

6、逆变电路的负载如果接到电源，则称为逆变，如果接到负载，则称为逆变。

7、_________存在二次击穿现象，____________存在擎住现象。

8、功率因数由和这两个因素共同决定的。

9、晶闸管串联时，给每只管子并联相同阻值的电阻R是_措施。

10、同一晶闸管，维持电流I H与掣住电流I L在数值大小上有I L_ I H。

11、电力变换通常可分为：、、和。

12、在下图中，_______和________构成降压斩波电路使直流电动机电动运行，工作于第1象限；___和_______构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变成为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于____象限。

13、请在正确的空格内标出下面元件的简称：电力晶体管；可关断晶闸管；功率场效应晶体管；绝缘栅双极型晶体管；IGBT是和的复合管。

14、晶闸管对触发脉冲的要求是、和。

15、多个晶闸管相并联时必须考虑的问题，解决的方是。