过了一个星期，小孙又到张老师家去了。 “逆变电路预习过了？有问题吗？”张老师和蔼地问。 “大体的轮廓，好象知道了。但要深究起来，却还是感到模模糊糊地。首先，对逆变用的IGBT管就不大熟悉。”小孙说。
IGBT管的特点
“那我们就先从IGBT管说起吧。”这一次，张老师已经事先画好了许多的图，随手拿出了一张，如图1－12。
“IGBT管也叫绝缘栅晶体管，它是晶体管和绝缘栅场效应管的组合。
图（a）是三极晶体管，它的三个极分别是：集电极C、发射极E和基极B。它的特点是集电极电流IC的大小取决于基极电流IB，故称为电流控制器件。
图（b）是绝缘栅场效应管，它的三个极分别是：漏极D、源极S和栅极G。栅极和源极之间是绝缘的。它的工作特点是漏极电流ID的大小取决于栅极和源极之间的电压uGS，故称为电压控制器件。
再看图（c）所示的IGBT管，它的主体部分和晶体管相同，也是集电极C和发射极E；
控制部分却是绝缘栅结构，通常称为控制极G。集电极电流IC的大小取决于控制极与发射极之间的电压uGE。所以，也是电压控制器件。” “和大功率晶体管GTR相比，IGBT管主要有哪些优点呢？”小孙问。
“首先，IGBT管允许的开关频率比GTR高一个数量级。GTR的最高开关频率只有2kHz，而IGBT可达20kHz。其次，很明显的是，它的控制极的功耗要比GTR的基极功耗小得多。这是主要的，其他也还有一些优点，就不详细说了。”
“这IBGT管是作为开关用的吧？”小孙问。
“是的。”张老师又找出了一张图，如图1－13。接着说：“IGBT管和其他三极管一样，也有三种状态：截止状态、放大状态和饱和导通状态。而我们只用它的截止状态和饱和导通状态：
图（a）所示，是饱和导通状态，犹如开关处于闭合状态；
图（b）所示，是截止状态，犹如开关处于断开状态。”
“我用万用表量了一下，怎么觉得它有点象晶闸管呢？”小孙说完，从皮包里拿出了IGBT管模块、万用表、电池等器件，看样子，他是有备而来的。
“哦？你是怎么量的？”张老师颇感兴趣地问。
“您瞧，”小孙一边画了个图1－14，一边演示起来。“当电池的‘＋’端接G极，‘－’端接E极，如图（a）所示时，IGBT管是导通的。可是，我把电池拿掉后，IGBT管仍然是通的，如图（b）所示。这不和晶闸管差不多么？”
“你给我拿一个电阻来，阻值不限。”张老师伸出手说。
小孙从包里找出一个10kΩ的电阻递给了老张，只见老张把那个电阻往G、E间一接，万用表的显示立刻就指向“∞”了。然后说： “因为IGBT管的G、E间是绝缘的，所以，你方才把电池拿掉时，G极上的‘＋’电荷不能释放，所以，IGBT管保持着导通的状态。在G、E间接入了一个电阻后，G极上的‘＋’电荷很快释放掉了，你所谓的晶闸管现象也就不存在了。”
“原来是这样。”小孙高兴地说，接着又问：“它是怎样把直流电逆变成交流电的呢？” 直流电怎样变成交流电？
“先从简单一点的单相逆变桥说起吧，”张老师又找出了一张图，如图1－15.
然后说： “用4个IGBT管组成一个桥形电路，ZL是负载，如图（a）所示。首先
让V1、V2导通，V3、V4截止。这时候的电流如红色箭头所示：从电源正极P（＋）出发，经V1后流经负载ZL，又经V3流向电源负极N（－）。注意：当它流经负载时，是从a端流向b端的。我们把这种情况下的电压作为uab的正方向，即uab为‘＋’，幅值等于直流电压UD，其电压波形如图（b）中时间段0～t1所示。
然后，又让V3、V4导通，V1、V2截止。这时候的电流如蓝色箭头所示：从P（＋）出发，经V3后流经负载ZL，又经V4流向N（－）。当它流经负载时，是从b端流向a端的。所以， uab为‘－’，幅值也等于直流电压UD，电压波形如图（b）中时间段t1～t2所示。
让V1、V2为一组，V3、V4为另一组，并让它们不断地交替导通和截止，则负载中流过的，便是交变电流了。” “啊，我明白了。”小孙从老张的图纸里找出了一张如图1－16。说：
“这6个IGBT管就组成了三相逆变桥，如图（a）所示，只要各相之间互差三分之一周期（T／3）就可以了，如图（b）。可是，怎么实施呢？”
“找出规律呀。”张老师指着图上说：“在第1个T／6内，令V1、V6、V5导通、第2个T／6内，令V1、V6、V2导通、??，以此类推就可以了。”
“在实际的逆变模块中，为什么每个IGBT管旁边，都要反并联一个二极管呢？”小孙问。
为什么要反并联二极管？ “要说清楚这个问题，需要先复习一下电工基础的知识。”张老师说着，又从预备好的图纸中找出了一张电阻、电感电路图，如图1－17。
“图（a）是一个R、L电路，图（b）是电路内电压与电流的瞬时值曲线。我们知道，在R、L电路内，电流是比电压滞后φ角的。
0～t1时间段内，电压为‘＋’，而电流为‘－’（图（b）中的A区），说明电流和电压是反方向的，如图（a）中的蓝色箭头所示。这时候的电流，是自感电动势克服电源电压的结果，是磁场在作功。
而在t1～t2时间段内，电压和电流都为‘＋’（图（b）中的B区），说明电流和电压是同方向的，如图（a）中的红色箭头所示。这时候的电流，是电源电压克服自感电动势的结果，是电源在作功。就是说，R、L电路在工作过程中，存在着电源和磁场之间不断地交换能量的过程。当然，因为不是纯电感电路，所以，总的来说，B区比A区大一些，电源所作的功要多一些。”
“您是说，电动机在工作时，也要和电源交换能量？”小孙似有所悟。
“因为电动机的定子绕组也是一个R、L电路呀。让我们看仔细一点，”张老师又拿出了一张图，如图1－18。
“和直流电源交换能量？”尽管小孙已经肯定了这个谜底，但一想起直流电源的电压是不变的，总觉得有点难以理解。
“说得更明确一点，是和直流电路里的滤波电容之间进行充、放电啊。”张老师笑嘻嘻地说。
“您是说，电动机的定子绕组也要对滤波电容充、放电？”小孙已经有点明白了，但因为总也没有这样思考过，总觉得不大有把握似地。
“为什么不呢？不过在这里，要事先说明一下，变频器的输出电压里，是有一些谐波分量的，我们这里，只看它的基波分量。当电流与电压反方向（如图中的A区所示）时，实际上是电动机的反电动势在向滤波电容充电。但是，IGBT管是只能单方向导电的，所以，必须要为充电电流提供一条路径，这就是反向二极管的作用。充电电流的路径如图中的蓝色箭头所示。当电流和电压同方向（如图中的B区所示）时，则是滤波电容通过IGBT管向电动机绕组放电的过程，放电电流的路径如图中的红色箭头所示。”
“原来是这样。”小孙赶紧在笔记本上记录了起来。等小孙记录完毕，张老师说。
“对于变频器主电路结构的讨论，恐怕可以告一段落了。接下来要讨论的是主电路里的运行数据了，如输出电压和电流、输入电流等等，你先回去预习吧。”
小 孙 的 笔 记
1．直流电逆变成交流电的基本方法，是使几个开关器件不断地按照一定的规律交替导通的结果。
2．目前在低压变频器中，普遍采用的是IGBT管，它的主体部分和晶体管相同，也有集电极和发射极。而它的控制极却和绝缘栅场效应管类似，称为控制极。
3．电动机定子的等效电路是电阻电感电路，它和直流电路之间，存在着能量交换的过程。具体地说，要对滤波电容器进行充放电。
为此，在每个IGBT管旁边，都必须反并联二极管，为电动机绕组向滤波电容器充电提供通路。
联系客服
