41.1 電路控制的發(fā)展歷程

（1）1904年出現(xiàn)二級(jí)真空管（真空中控制電子）

（2）1930年出現(xiàn)的水銀整流器

（3）1947年出現(xiàn)的電晶體

（4）1957年出現(xiàn)的閘流體（單晶矽為半導(dǎo)體材料的整流器，可控制開通，但開通后無法控制關(guān)斷，一般稱為半控型元件）

（5）1970年代出現(xiàn)的MOSFET、BJT、GTO等全控型元件

（6）1980年代出現(xiàn)的IGBT（以MOSFET為本體，結(jié)合BJT的復(fù)合元件）

（7）目前以新一代半導(dǎo)體材料如SiC對(duì)以上控制元件的升級(jí)

41.2 電路控制的類型

對(duì)于MOSFET及IGBT之前已經(jīng)進(jìn)行原理的講解，電路控制中主要用到二者的開關(guān)功能，我們稱其為功率開關(guān)元件，使用這些功率開關(guān)元件的組合可以對(duì)電路實(shí)現(xiàn)以下控制：

表41.1 電路的幾種控制

電機(jī)中，假如輸入為DC直流電，電機(jī)類型為AC交流電機(jī)，需要輸出為AC，控制器可以使用有逆變功能的電路，因此稱這種電機(jī)控制器為逆變器，同時(shí)逆變器還可以控制AC交流電的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的功能。

41.3 逆變器的基本工作原理

（1）單相交流負(fù)載控制電路原理：

圖41.1 單相交流負(fù)載控制電路基本原理圖

（2）三相負(fù)載控制電路原理圖：

同樣的，對(duì)于三相負(fù)載，我們可以使用以下電路來實(shí)現(xiàn)逆變功能：

圖41.2 三相交流負(fù)載控制電路基本原理圖

將開關(guān)元件轉(zhuǎn)化為IGBT或MOSFET、并設(shè)置穩(wěn)壓電容及續(xù)流二極管，可得電路圖如下：

圖41.3 逆變器控制電路基本原理圖

其中6個(gè)IGBT的控制極門極接控制電路，通過控制電路的高低電壓來控制IGBT的開通與關(guān)斷；

左側(cè)的兩個(gè)電容為直流穩(wěn)壓電容；

與IGBT并聯(lián)的六個(gè)二極管為續(xù)流二極管，可以起到平緩負(fù)載中的電流的目的，電機(jī)電感線圈在電路開閉瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢通常會(huì)高過電源，此二極管可以防止反向擊穿IGBT。

每個(gè)IGBT所在的部分為橋臂，圖41.3中共有6個(gè)橋臂，如圖中U相連接點(diǎn)所在支路有上、下兩個(gè)橋臂；

41.4 逆變器的工作過程及獲得的電壓電流

為了使負(fù)載獲得三相交流電，其工作過程如下：

（1） V1/V5/V6導(dǎo)通，其他關(guān)斷

逆變器內(nèi)定義的各點(diǎn)電流趨勢的方向如圖41.4所示（這里用的趨勢是由于負(fù)載中存在電感，電感會(huì)導(dǎo)致電流相位的滯后）；假設(shè)三相U/V/W負(fù)載阻抗相同，則其等效電路圖及各點(diǎn)處的電位如圖41.5所示；由各點(diǎn)之間的電位可計(jì)算出任意兩點(diǎn)之間的電壓及各路電流，需要注意的是由于電感元件的存在，電流與電壓之間會(huì)存在相位差，且波形也不同。部分電壓與電流波形如圖中虛線左側(cè)所示。

圖41.4 V1/V5/V6導(dǎo)通時(shí)電流趨勢的方向

假設(shè)各相負(fù)載阻抗相同，且虛擬中性點(diǎn)N’接地，即電位為0，上圖可簡化為以下電路圖，各點(diǎn)處的電位如括號(hào)中所示：

圖41.5 V1/V5/V6導(dǎo)通時(shí)等效電路圖

根據(jù)此電路圖可得各點(diǎn)間的電壓及各路電流，如圖41.6所示

圖41.6 不同位置處的電壓及電流曲線（虛線之前部分）

圖中負(fù)載（電機(jī)繞組）的接法是星型連接，星形接法是指三個(gè)相的一端連接在一起形成公共端，這個(gè)公共端被稱為中性點(diǎn)，用字母“N”標(biāo)識(shí)；采用星形接法時(shí)，相電壓為各相線端與中性點(diǎn)之間的電壓，線電壓為各相線段之間的電壓（這里線段可以指圖中U/V/W三個(gè)點(diǎn)）。由于中性點(diǎn)N在電機(jī)內(nèi)部，因此相電壓無法直接測量。

線電壓和相電壓可據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

相電壓：

線電壓：

根據(jù)以上公式可以計(jì)算得到電機(jī)繞組各相電壓或線電壓。

（2） V1/V2/V6導(dǎo)通，其他關(guān)斷

根據(jù)上面的方法可的圖41.7、圖41.8、圖41.9；同時(shí)電流之間有以下關(guān)系：

圖41.7 V1/V2/V6導(dǎo)通時(shí)逆變器工作示意圖

圖41.9 V1/V2/V6導(dǎo)通時(shí)部分電壓電流曲線（兩虛線之間部分）

（3） 當(dāng)V1/V2/V3導(dǎo)通時(shí)：

圖41.10 V1/V2/V3導(dǎo)通時(shí)逆變器工作示意圖

圖41.11 V1/V2/V3導(dǎo)通時(shí)部分電壓電流曲線（兩虛線之間部分）

（4） 依此類推，按照以下導(dǎo)通順序循環(huán)導(dǎo)通關(guān)斷，我們即可獲得三相交流電：

圖41.12 各橋臂導(dǎo)通順序及獲得的電壓電流曲線

（5）三相逆變器的導(dǎo)通規(guī)律

綜上，要想獲得三相交流電，各橋臂的導(dǎo)通規(guī)律為：

①任意時(shí)刻有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通；

②同一相上下兩橋臂交替導(dǎo)電，不能同時(shí)導(dǎo)通：比如V1/V4同時(shí)導(dǎo)通會(huì)造成短路；

③設(shè)一個(gè)循環(huán)360°，每橋臂導(dǎo)電180°

④各相開始導(dǎo)電的角度差為120°；如上橋臂：U相V1開始導(dǎo)電，120°之后V相的V3開始導(dǎo)電；

⑤每次電流方向變化都是在同一相的上下兩橋臂之間進(jìn)行。