正弦波逆变器.docx
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正弦波逆变器
正弦波逆变器
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‖，即后来常用的―多重叠加法‖，这标志着正弦波逆变器的诞生。
1963年，F.G.Turnbull提出了
―消除特定谐波法‖，为后来的优化
PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目
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Power
MOSFET、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、使电力电子技术由传统发展时代进
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。
入到高频化
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.Stemmler提出的、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），由于当时
开关器件的速度慢而未得到推广。
直到1975年才由
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;但它又具有像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
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。
GPNPN1122GC2C11AA
A
A
G
G
2
K
K
K
K
（a）
（b）
（c）
图2.1-1
图中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，外部引出阳极，门极和阴极，构成一个单
元器件。
GTO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GTO，一般通常把这些小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。
由图2.1-1（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:
G
A
C2
C1
显然这是一个正反馈过程。
当流入的门极电流IG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α1+α2>1之后，两个晶体管均饱和导通，GTO则完成了导通过程。
可见，GTO开通的条件是
α1+α2>1（2-1）
此时门极的电流IG为
II
/
式中IA—GTO的阳极电流;
IG—GTO门极注入的电流。
由式
（2）可知，当GTO门极注入正的IG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α1+α2>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IG撤消后，该阳极电流也就消失。
与α1+α2=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。
由此可见，只要能引起和变化并使之满足α1+α2>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压上升率，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，
甚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，工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元阴极导电面积的扩展，达到缩短GTO开通时间的目的。
GTO开通后可在适当外部条件下控制扩散杂质分布的同时，提高导通关断，其关断电路原理如图2.1-2所示。
特性，从而门极电路小型化。
关断GTO时，将开关S闭合，门极就
施以负偏置电压EG。
晶体管P1N1P2的IA
集电极电流Ic1被抽出形成门极负电
流,IG，此时N2P2N1晶体管的基极电流
I
C2
减小，进而使Ic2减小。
于是引起Ic1
IC1
I
的进一步下降，如此循环不已，最终
G
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EG
I
G
胞特性，并改善每个元胞及结构的一
S
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，，，图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
和压接式结构。
压接式结构容易保证接触一致性，避免由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，由于其功率非常大，所以，
它又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，又有单管
GTR、达林顿式
GTR（复合管）
和
GTR模块几种形式。
单管
GTR饱和压降
VCES低，开关速度稍快，但是电流增益
β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
β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一样，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、甚至
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。
中，在逆变电路
GTR都工作在共发射极状态，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
IB之间的关系，如图
2.2-1所示。
GTR的特性曲区为击穿区，线分
5个区。
I区为
截止区，
IB=0，IC很C
小，为
CE漏电流。
II区为线性放大区，
当
IB增加时，
IC也跟
随
IB线性增加。
随
着
VCE继续降低，IC
已没有增长能力，这就进入了深度饱和区，即第
IV区。
这
时的
VCE称为
GTR
的饱和压降，用VCES
表示，它比
GTO和
VMOSFET要低。
V0
CE
V
IIV
IVIIIIIVIBE
温上升时，
IC更大。
由于整个管芯的导电不可能绝对均匀，大的
IC会产生集中热
点，从而发生雪崩击穿，
IC骤增。
这时候，即使降低
VCE也无济于事，高速增长
的热量无法散出，在很短时间内（几微秒甚至几纳秒）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。
但由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由基区掺杂浓度决定，因此其增益
β值是固定的;但在
大电流条件下，由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β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，是由于在大多数情况下电流条件下，基区的横向压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靠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，VVMOSFET，
VDMOSFET。
在这里以
VDMOSFET为例，来大致介绍一下功率MOSFET的结构和工作原理。
图
2.3-1（a）是
VDMOSFET中一个单元的截面图，它是在电阻率很地的重掺杂N+
衬底上生长一层漂移层
N，该层的厚度和杂质浓度决定了器件的正向阻断能力。
然后在漂移层上再生长一层很薄的栅极氧化物，在氧化物上沉积多晶硅栅极。
在
用光刻法除去一部分氧化物后，进行
P区和
N+源区双区双扩散，并沉积源极电
极。
这样，就形成了
N沟道增强型功率
MOSFET，其电气图形符号如图
2.3-1（b）
所示。
当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，
P基区
和
N漂移区之间形成的
PN结
J1反偏，漏源极之间无电流流过。
如果在栅极和源极之间加一正电压
UGS，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。
但栅极的正电压却会将其下面
P区中的空穴推开，而将
P区中的少数载流子电子
吸引到栅极下面的
P区表面。
当
UGS大于某一电压值
UT时，栅极下
P区表面的
电子浓度将超过空穴浓度，从而使
P型半导体反型成
N型半导体而成为反型层，
栅（G）
源（S）
DDG
G
S
N沟道
S
P沟道
PN漂移层
衬底
漏（D）
P
N
NN
图2.3-1
该反型层形成
N沟道而使
PN结
J1消失，漏极和源极导电。
电压
UT称为开启电
压，UGS超过
UT越多，导电能力越强，漏极电流
ID越大。
功率
MOSFET是多元集成结构，一个器件往往由许多个小MOSFET单元组
成。
对于功率
MOSFET来说，采用多元集成结构是很有益的，因为采用多元集
成结构不仅可以降低通态电阻，而且还能提高工作频率，改善器件的性能。
由于漏极电流流过沟道时，在沟道电阻上产生的损耗和发热限制了
MOSFET
通态电流值的提高，而多元集成结构不仅使每个MOSFET单元的沟道长度大为
缩短，而且所有
MOSFET单元的沟道是并联在一起的，因而沟道电阻大幅度减小。
于是，在同样的额定温度下，器件的通态漏极电流可以提高。
即提高了应用
于大功率的能力。
本来，在
MOSFET器件中由于载流子在沟道中的渡越时间和栅极输入电容的存在，限制了器件的工作频率，但由于多单元集成结构使沟道长度大大缩短，
载流子的渡越时间也大为减小。
又因为所有
MOSFET单元的沟道都是并联的，
所以，允许很多的载流子同时渡越，使器件的开通时间极短。
大约可以使漏极电
流上升时间见效到毫微秒的数量级。
近年来，各种功率
MOSFET型器件层出不穷。
由于它具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、可靠性强等优点，在应用中取代了许多原来为双极型功率器件所占据的领域。
它的工艺特点决定了它能方便地同其他类型的器件相集成，从而促进了高压功率集成电路
HVIC和智能功率集成电路
SPIC的实现，推
动了电力电子技术的发展。
现在，功率
MOSFET已被广泛应用于开关电源、汽车电子、消费电子、工
业控制等领域中，成为当今世界上功率器件发展规律的主要方向。
2.4绝缘栅双极晶体管（IGBT）
绝缘栅双极晶体管（
Insulate
Gate
Bipolar
Transistor）简称
IGBT，是一种新
型的电力电子器件。
它是
MOSFET与
GTR的复合器件，因此，它既具有
MOSFET
的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR
的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代
GTR的理想开关器件。
从
1986
频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速低损耗的许多领域。
现在已
经被广泛应用的第三代IGBT通态压降更低、开关速度更快;集成的智能型IGBT
功率模块使用更方便、体积更小、保护更可靠，并省去了驱动电路。
图2.4-1为MOSFET相类似。
IGBT的结构剖面漏极
源极
SOi
P
NJ
J1
2
3J2PNNN
门极
图。
由图可知，
IGBT是在功率体区
MOSFET的基础上发展起来的，两
漂移区
者结构十分类似，不同之处在于
缓冲区
IGBT比功率
MOSFET多了一
注入区
个P+层发射极，可以形成PN结J1，
并由此引出漏极;门极和源极与图2.4-1
IGBT按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P+发射区和N-漂移区之间的N+层。
无缓冲区N+者称为对称型IGBT，也称为非穿通型IGBT;有N+缓冲区者称为非对称型IGBT，也称为穿通型IGBT。
因为结构不同造成其特性亦不同，非对称型IGBT由于存在N+区，反向阻断能力弱，但其正向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小。
与之相反，对称型IGBT具有正反向阻断能力，其他特性却不及非对称型IGBT。
从结构上可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图2.4-2（a）所示，N沟道IGBT的图形符号如图2.4-2（b）所示。
对于P沟道IGBT，其图形符号中的箭头防线恰好相反。
图中的电阻Rdr是厚基区GTR基区内的扩展电阻。
IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构。
图示器件为N沟道IGBT，MOSFET为N沟道型，GTR为PNP型。
NPN
C（D）
Rdr
PNP
G
G
Rbr
S
E（S）
（a）
（b）
图2.4-2
IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。
门极施以正电压时，MOSFET
内形成沟道，并为
PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。
在门极上施
以负电压时，
MOSFET内的沟道消失，
PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即
为关断。
当
VDS为负时，
J3结处于反向偏置状态，类似于反偏二极管，器件呈反向阻
断状态。
当
VDS为正时，有两种可能:
（1）若门极电压小于开启电压，即VG
（2）若门极电压大于开启电压，即VG
>VT时，绝缘门极下面的沟道形成，N+区的电子通过沟道进入
N-漂移区，漂移到
J3结，此时
J3记是正向偏置，也向
N-区注入空穴，从而在
N-区产生电导调制，使器件正向导通。
在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子
电流为零，使漏极电流有所突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上变为零，而出现一个拖尾时间。
除上述
IGBT的正常工作情况外，从结构中可以看出，由于
IGBT结构中寄
生着
PNPN四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。
出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件:
α1
+α2
=
1
IGBT的锁定现象又分为静态锁定、动态锁定和栅分布锁定。
静态锁定是IGBT
在稳态电流导通时出现的锁定，此时，漏极电压低，锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。
动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下，主要是因为在电流较大时引起α
1和α
2的增加，以及由过大的
dv/dt引起的位移电流
造成的。
栅分布锁定是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的
IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。
应当采取各种工艺措施提高
IGBT的锁定电流，克服由于锁定而产生失效。
2.5小结
功率
MODFET是单极型电压驱动器件，具有工作速度快、输入阻抗高、热稳定性好以及驱动电路简单等优点，但是导通电阻大，电流容量较低，阻断电压也低。
GTR和
GTO是双极型电流驱动器件，其阻断电压高，载流能力强，但是工作速度慢，驱动电流大，控制电路比较复杂。
由于各有所限，使它们在新型电力电子装置中的应用受到局限。
而
IGBT作为功率
MOSFET和
GTR的复合器件，将它们各自的优点集于一
身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快，应用很广，在各个领域中有取代前述全控型器件的趋势，IGBT已成为当前电力半导体器件发展的重要方向。
三（正弦波逆变器主电路的基本形式
常用逆变器按照逆变器的直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆
3.1电压型逆变器
理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定的值而没有脉动，直流电压波形和电流波形中也不应该产生脉动。
而在实际的逆变电路中，因为逆变器的脉动数等有限制，因而，逆变功率P是脉动的。
当逆变器的逆变功率P的脉动波形由直流电流来体现时，称为电压型逆变器，如图3.1-1所示，直流电源是恒压源。
id
0
P
0
图3.1-1
电压型逆变器的特点是:
（1）直流侧有较大的直流滤波电容Cd。
（2）当负载功率因数变化时，交流输出电压的波形不变，即交流输出电压波形与负载无关。
交流输出电压的波形，通过逆变开关的动作被直流电源电容上的电压钳位成为方波。
（3）在逆变器中，与逆变开关并联有反馈二极管D1~D6，所以，交流电压与负载无关，是方波。
（4）输出电流的相位随着负载功率因数的变化而变化。
换向是在同桥臂开关管之间进行的。
（5）可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。
E
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