基於PWM的電壓調節技術

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基於PWM的電壓調節技術

dzsc.com文章出處：發布時間： 2008/09/02 | 2727 次閱讀 | 0次推薦 | 0條留言

　　０　引言

　　電力電子技術作為一門新興的高科技學科，起始於上世紀５０年代末硅整流器

整流器

　　整流器是一種能夠將交流電轉化為直流電的裝置。通常由真空管，引燃管，固態矽半導體二極體，汞弧等製成，可用於供電裝置及偵測無線電信號等。 [全文]

件的誕生。上世紀８０年代末期和９０年代初期，以ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ為代表的，集高頻、高壓和大電流於一身的功率半導體複合器件的出現，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子技術時代。採用電力半導體器件構成的各種開關

開關

　　開關是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設備、家用電器中都可以見到開關。 [全文]

電路，按

　　一定的規律，實時的控制器件的工作，可以實現開關型電力變換和控制，已被廣泛地應用於高品質交直流電源、電力系統、變頻調速、新能源發電及各種工業與民用電器等領域，成為現代高科技領域的支撐技術。當前電力電子技術的發展趨勢是高電壓大容量化、高頻化、主電路及保護控制電路模塊化、產品小型化、智能化和低成本化。大力加強電力電子技術的應用研究，對改造傳統設備、實現產品的更新換代和增加產品的科技含量、解決關係國民經濟與安全的高新技術具有重大的經濟及戰略意義。

　　ＰＷＭ控制技術已逐漸成熟，通過其對半導體電力器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈衝，用這些脈衝來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規則對各脈衝的寬度進行調製，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。這在全控型開關器件的逆變器

逆變器

　　逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉變成交流電（一般為220v50HZ正弦或方波）。應急電源，一般是把直流電瓶逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成.廣泛適用於空調、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機、抽油煙機、冰箱，錄像機、按摩器、風扇、照明等。 [全文]

中得到廣泛應用，已有各種單相（如ＳＧ３５２４），三相ＰＷＭ（如ＨＥＦ４７５２）和ＳＰＷＭ　集成晶元（如ＳＡ８２８）隨著電力電子技術及大規模集成電路

集成電路

　　集成電路是採用半導體製作工藝，在一塊較小的單晶矽片上製作上許多晶體管及電阻器、電容器等元器件，並按照多層布線或遂道布線的方法將元器件組合成完整的電子電路。它在電路中用字母"IC"(也有用文字元號"N"等)表示。 [全文]

的發展，ＰＷＭ調壓技術得到了廣泛的應用，特別是以ＰＷＭ為基礎構成的變頻系統，以結構簡單，運行可靠，節能效果顯著等突出優點在生產、生活領域內得到了廣泛應用。為此，本文結合高校《電力電子技術》課程的實踐環節，幫助學生掌握ＰＷＭ控制技術的應用，介紹ＰＷＭ調壓技術的一種實現方法。該方案採用集成脈寬調製電路晶元ＳＧ３５２４　產生ＰＷＭ　波，通過驅動集成電路ＩＲ２１１０，驅動逆變橋實現調壓。該電路結構緊湊、安全可靠、易於調試。

　　１　ＰＷＭ技術的多種實現方法

　　採樣控制理論中有一個重要結論：衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。ＰＷＭ　控制技術就是以該結論為理論基礎，到目前為止，已出現了多種ＰＷＭ控制技術。根據ＰＷＭ控制技術的特點，可以劃分為多種方法。

　　１．１　等脈寬ＰＷＭ　法

　　ＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）早期是基於ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）控制技術實現的，其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓。等脈寬ＰＷＭ　法正是為了克服ＰＡＭ法的這個缺點發展而來的，是ＰＷＭ法中最為簡單的一種。它是把每一脈衝的寬度均相等的脈衝列作為ＰＷＭ波，通過改變脈衝列的周期以調頻，該方法的優點是簡化了電路結構，提高了輸入端的功

　　率因數，但同時也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。

　　１．２　ＳＰＷＭ法

　　ＳＰＷＭ（Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ＰＷＭ）法是一種比較成熟的、使用較廣泛的ＰＷＭ法。前面提到的採樣控制理論中的一個重要結論：衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。ＳＰＷＭ法就是以該結論為理論基礎，用脈衝寬度按正弦規律變化，而與正弦波等效的ＰＷＭ　波形即ＳＰＷＭ　波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈衝電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調製波的頻率和幅值，調節逆變輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實現有幾種方案。

　　１）等面積法實際上是ＳＰＷＭ　法原理的直接闡釋。用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈衝序列代替正弦波，然後計算各脈衝的寬度和間隔，並把這些數據存於微機中，通過查表的方式生成ＰＷＭ信號控制開關器件的通斷，以達到預期的目的。由於此方法是以ＳＰＷＭ　控制的基本原理為出發點，可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數據佔用內存大，不能實時控制的缺點。

　　２）硬體調製法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調製信號，把接受調製的信號作為載波，通過對載波的調製得到所期望的ＰＷＭ波形。通常採用等腰三角波作為載波，當調製信號波為正弦波時，所得到的就是ＳＰＷＭ　波形。其實現方法簡單，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調製波發生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成ＳＰＷＭ波。但是，這種模擬電路結構複雜，難以實現精確的控制。

　　３）軟體生成法由於微機技術的發展使得用軟體生成ＳＰＷＭ　波形變得比較容易，因此，軟體生成法也就應運而生。軟體生成法是用軟體來實現調製的方法，有兩種基本演算法，即自然採樣法和規則採樣法。

　　（１）自然採樣法以正弦波為調製波，等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，即自然採樣法。其優點是所得ＳＰＷＭ波形最接近正弦波。但由於三角波與正弦波交點有任意性，脈衝中心在一個周期內不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。

　　（２）規則採樣法規則採樣法是一種應用較廣的工程實用方法。一般採用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行採樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現ＳＰＷＭ法。當三角波只在其頂點（或底點）位置對正弦波進行採樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（即採樣周期）內的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規則採樣。當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行採樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（為採樣周期的２倍）內的位置一般並不對稱，這種方法稱為非對稱規則採樣。規則採樣法是對自然採樣法的改進，其主要優點是計算簡單，便於在線實時運算，其中非對稱規則採樣法因階數多而更接近正弦。其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制範圍較小。兩方法均適用於同步調製方式。

　　４）低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去ＰＷＭ波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數展開，表示為ｕ（棕ｔ）＝Ａｎ　ｓｉｎ（ｎ棕ｔ），首先確定基波分量Ａ１的值，再令兩個不同的Ａｎ＝０，就可以建立三個方程，聯立求解得Ａ１，Ａ２及Ａ３，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波。但是，剩餘未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大，而且同樣存在計算複雜的缺點。該方法同樣只適用於同步的調製方法。

　　１．３　線電壓控制ＰＷＭ

　　主要包括馬鞍形波和三角波比較法，也就是諧波注入ＰＷＭ　方式（ＨＩＰＷＭ），其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調製信號便呈現出馬鞍形，而且幅值明顯降低，於是在調製信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無中線系統中，由於三次諧波電流無通路，所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他３倍頻於正弦波信號的其他波形，這些信號都不會影響線電壓。這是因為，經過ＰＷＭ調製後，逆變電路輸出的相電壓也必然包含相

　　應的３倍頻於正弦波信號的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。

　　１．４　電流控制ＰＷＭ

　　電流控制ＰＷＭ　的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變。其實現方案主要有以下３種。

　　１）滯環比較法［４］　一種帶反饋的ＰＷＭ　控制方式，即每相電流反饋信號與電流給定值經滯環比較器，得出相應橋臂開關器件的開關狀態，使得實際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優點是電路簡單，動態性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點是開關頻率不固定造成較為嚴重的噪音，和其他方法相比，在同一開關頻率下輸出電流中所含的諧波較多。

　　２）三角波比較法與ＳＰＷＭ法中的三角波比較方式不同，這裡是把指令電流與實際輸出電流進行比較，求出偏差電流，通過放大器放大後再和三角波進行比較，產生ＰＷＭ波。此時開關頻率一定，因而克服了滯環比較法頻率不固定的缺點。但是，這種方式的電流響應不如滯環比較法快。

　　３）預測電流控制法［６］　在每個調節周期開始，根據實際電流誤差，負載參數及其他負載變數，來預測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個調節周期由ＰＷＭ

　　產生的電壓矢量必將減小所預測的誤差。該方法的優點是，若給調節器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準確的響應。目前，這類調節器的局限性

　　是響應速度及過程模型係數參數的準確性。

　　１．５　空間電壓矢量控制ＰＷＭ

　　空間電壓矢量控制ＰＷＭ（ＳＶＰＷＭ）也叫磁通正弦ＰＷＭ法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定逆變器的開關，形成ＰＷＭ　波形。此法從電動機的角度出發，把逆變器和電機看作一個整體，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制，使電機獲得幅值恆定的圓形磁場（正弦磁通）。

　　具體方法又分為磁通開環式和磁通閉環式。磁通開環法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若採樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調製時提高１５％，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度，在比較估算磁通和給定磁通後，根據誤差決定產生下一個電壓失量，形成ＰＷＭ波形。這種方法克服了磁通開環法的不足，解決了電機低速時，定子電阻

電阻

　　電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。 [全文]

影響大的問題，減小了電機的脈動和噪音，但由於未引入轉矩的調節，系統性能沒有得到根本性的改善。

　　１．６　失量控制ＰＷＭ

　　矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將非同步電動機在三相坐標系下的定子電流Ｉａ、Ｉｂ及Ｉｃ，通過三相／兩相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ｉａ１　及Ｉｂ１　，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標下的直流電流Ｉｍ１及Ｉｔ１（Ｉｍ１相當於直流電動機的勵磁電流；Ｉｔ１相當於與轉矩成正比的電樞電流），然後模仿對直流電動機的控制方法，實現對交流電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然後分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。

　　但是，由於轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的複雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統中需要配置轉子位置或速度感測器

感測器

　　凡是利用一定的物性（物理、化學、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉變成便於利用的電信號的器件。感測器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變數轉換成可供測量的信號」。按照Gopel等的說法是：「感測器是包括承載體和電路連接的敏感元件」，而「感測器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的系統」。感測器是感測系統的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 [全文]

，這顯然給許多應用場合帶來不便。

　　１．７　直接轉矩控制ＰＷＭ

　　１９８５　年德國魯爾大學Ｄｅｐｅｎｂｒｏｃｋ　教授首先提出直接轉矩控制理論（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，簡稱ＤＴＣ）。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制，它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉矩的實際值，然後，經磁鏈和轉矩的Ｂａｎｄ－Ｂａｎｄ　控制產生ＰＷＭ信號對逆變器的開關狀態進行最佳控制，從而

　　在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實現無速度感測器的控制，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度，並以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。直接轉矩控制也存在缺點，如逆變器開關頻率的提高有限制。

　　１．８　非線性控制ＰＷＭ

　　單周控制法又稱積分複位控制（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　Ｒｅ原ｓｅｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，簡稱ＩＲＣ），是一種新型非線性控制技術，其基本思想是控制開關占空比，在每個周期使開關變數的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術同時具有調製和控制的雙重性，通過複位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是ＲＳ　觸發器，其控制原理如圖１所示。圖中Ｋ可以是任何物理開關，也可是其他可轉化為開關變數形式的抽象信號。

　　傳統的ＰＷＭ　逆變電路中，單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個周期內自動消除穩態、瞬態誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。雖然硬體電路較複雜，但其克服了傳統的ＰＷＭ控制方法的不足，適用於各種脈寬調製軟開關逆變器，具有反應快、開關頻率恆定、魯棒性強等優點，此外，單周控制還能優化系統響應、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。

　　１．９　諧振軟開關ＰＷＭ

　　電力電子器件硬開關大的開關電壓電流應力以及高的ｄｕ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ限制了開關器件工作頻率的提高，而高頻化是電力電子的主要發展趨勢之一，它能使變換器體積減小、重量減輕、成本下降、性能提高，特別當開關頻率在１８　ｋＨｚ以上時，雜訊已超過人類聽覺範圍，使無雜訊傳動系統成為可能。諧振軟開關ＰＷＭ的基本思想是在常規ＰＷＭ變換器拓撲的基礎上，附加一個諧振網路，諧振網路一般由諧振電感、諧振電容和功率開關組成。開關轉換時，諧振網路工作使電力電子器件在開關點上實現軟開關過程，諧振過程極短，基本不影響ＰＷＭ技術的實現。從而既保持了ＰＷＭ技術的特點，又實現了軟開關技術。但由於諧振網路在電路中的存在必然會產生諧振損耗，並使電路受固有問題的影響，從而限制了該方法

　　的應用。

　　２　系統統計和工作原理

　　圖２給出了系統主電路和控制電路框圖，交流輸入電壓（５００　Ｈｚ／２２０　Ｖ）經過整流橋

整流橋

　　整流橋是將數個（兩個或四個）整流二極體封在一起組成的橋式整流器件，主要作用還是把交流電轉換為直流電，也就是整流，因此得名整流橋。 [全文]

整流後，得到一個直流電壓。ＤＣ／ＡＣ　變換採用全橋變換電路，通過控制電路控制其逆變電路的導通時間，過流保護採用快速熔斷器，過電壓保護採用由電流互感器和電壓比較器ＬＭ３２４構成的過電壓檢測電路。

　　２．１　ＳＧ３５２４的功能及引腳

　　ＳＧ３５２４是雙端輸出式脈寬調製器，工作頻率高於１００　ｋＨｚ，工作溫度為０￣７０　益，適宜構成１００￣５００　Ｗ中功率推挽輸出開關電源。ＳＧ３５２４採用ＤＩＰ－１６型封裝，管腳排列和內部結構如圖３所示。

　　ＳＧ３５２４工作過程如下。

　　直流電源ＶＳ從腳１５　接入後分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩壓器的輸入端，產生穩定的＋５　Ｖ基準電壓。＋５　Ｖ再送到內部（或外部）電路的其他元器件作為電源。

　　振蕩器

　　振蕩器是收發設備的基礎電路,它的作用是產生一定頻率的交流信號，是一種能量轉換裝置——將直流電能轉換為具有一定頻率的交流電能。 [全文]

腳７須外接電容ＣＴ，腳６須外接電阻ＲＴ。振蕩器頻率ｆ由外接電阻ＲＴ和電容ＣＴ決定，ｆ＝１．１８／ＲＴＣＴ。本設計將Ｂｏｏｓｔ電路的開關頻率定為１０　ｋＨｚ，取ＣＴ＝０．２２　滋Ｆ，ＲＴ＝５　ｋ贅；逆變橋開關頻率定為５　ｋＨｚ，取ＣＴ＝０．２２　滋Ｆ，ＲＴ＝１０　ｋ贅。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈衝形式送至雙穩態觸發器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接誤差放大器的輸出。

　　誤差放大器實際上是差分放大器，腳１為其反相輸入端；腳２為其同相輸入端。通常，一個輸入端連到腳１６　的基準電壓的分壓電阻上（應取得２．５　Ｖ的電壓），另一個輸入端接控制反饋信號電壓。本系統電路圖中，在ＤＣ／ＤＣ變換部分，Ｇ３５２４的腳１接控制反饋信號電壓，腳２接在基準電壓的分壓電阻上。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，從而在比較器的輸出端出現一個隨誤差放

　　大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈衝，再將此方波脈衝送到或非門的一個輸入端。或非門的另兩個輸入端分別為雙穩態觸發器和振蕩器鋸齒波。雙穩態觸發器的兩個輸出端互補，交替輸出高低電平，其作用是將ＰＷＭ脈衝交替送至兩個三極體

三極體

　　三極體是一種半導體電子器件，有3個引腳，晶體三極體分別為集電極（c)，基極（b)，發射極（e），電子三極體分別為屏極、柵極、陰極。能夠把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也稱雙極型晶體管,晶體三極體。 [全文]

Ｖ１及Ｖ２的基極，鋸齒波的作用是加入了死區時間，保證Ｖ１及Ｖ２兩個三極體不可能同時導通。最後，晶體管

晶體管

　　晶體管是由三層雜質半導體構成的器件，有三個電極，所以又稱為半導體三極體，晶體三極體等，可以用於檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調製和許多其它功能。 [全文]

Ｖ１及Ｖ２　分別輸出脈衝寬度調製波，兩者相位相差１８０毅。當Ｖ１及Ｖ２脈衝並聯應用時，其輸出脈衝的占空比為０％￣９０％；當Ｖ１及Ｖ２分開使用時，輸出脈衝的占空比為０％￣４５％，脈衝頻率為振蕩器頻率的１／２。

　　２．２　驅動電路的設計

　　ＩＲ２１１０　採用ＨＶＩＣ的閂鎖抗干擾ＣＭＯＳ　製造工藝，ＤＩＰ１４腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源採用自舉電路，其高端工作電壓可達５００　Ｖ，ｄｖ／ｄｔ＝依５０　Ｖ／ｎｓ，１５　Ｖ下靜態功耗僅為１１６　ｍＷ；輸出的電源端（腳３，即功率器件的柵極驅動電壓）電壓範圍１０￣２０　Ｖ；邏輯電源電壓範圍（腳９）５￣１５　Ｖ，可方便地與ＴＴＬ，ＣＭＯＳ電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有依５　Ｖ的偏移量；工作頻率高，可達５００　ｋＨｚ；開通、關斷延遲小，分別為１２０　ｎｓ　和９４　ｎｓ；

　　圖騰柱輸出峰值電流為２　Ａ。

　　ＩＲ２１１０　內部由如圖４　所示的三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。如上所述ＩＲ２１１０的特點，可以為裝置的設計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設計，可以大大減少驅動電源的數目。

　　採用ＩＲ２１１０作逆變半橋的驅動電路舉例。這種高壓側懸浮驅動的自舉原理如圖５　所示。圖中Ｃ１、ＶＤ１　分別為自舉電容和二極體

二極體

　　二極體又叫半導體二極體、晶體二極體，是最常用的基本電子元件之一。二極體只往一個方向傳送電流，由p型半導體和n型半導體形成的p-n結構成，在其界面處兩側形成空間電荷層，並建有自建電場。當不存在外加電壓時，由於p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態。 [全文]

，Ｃ２　為ＶＣＣ　的濾波電容。假定在Ｓ１關斷期間Ｃ１已充到足夠的電壓（ＶＣ１抑ＶＣＣ）。當ＨＩＮ為高電平時ＶＭ１開通，ＶＭ２關斷，ＶＣ１加到Ｓ１的柵極和發射極之間，Ｃ１通過ＶＭ１，Ｒｇ１　和Ｓ１柵極－發射極電容Ｃｇｅ１放電，Ｃｇｅ１被充電，Ｓ１導通。此時ＶＣ１可等效為一個電壓源。當ＨＩＮ為低電平時，ＶＭ２開通，ＶＭ１斷開，Ｓ１柵電荷經Ｒｇ１、ＶＭ２迅速釋放，Ｓ１關斷。經短暫的死區時間（ｔｄ）之後，ＬＩＮ為高電平，Ｓ２開通，ＶＣＣ經ＶＤ１，Ｓ２給Ｃ１充電，迅速為Ｃ１補充能量。如此循環反覆。

　　自舉元器件的分析與設計舉例。圖５所示自舉二極體（ＶＤ１）和電容（Ｃ１）是ＩＲ２１１０在ＰＷＭ應用時需要嚴格挑選和設計的元器件，應根據一定的規則進

　　行計算分析。在電路實驗時進行一些調整，使電路工作在最佳狀態。

　　１）自舉電容的選擇ＩＧＢＴ　和ＰＭ（Ｐｏｗｅｒ　ＭＯＳ原ＦＥＴ）具有相似的門極特性。開通時，需要在極短的時間內向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通後，自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓（１０　Ｖ，高壓側鎖定電壓為８．７／８．３　Ｖ）要高；再假定在自舉電容充電路徑上有１．５　Ｖ　的壓降（包括ＶＤ１的正向壓降）；最後假定有１／２的柵電壓（柵極門檻電壓ＶＴＨ通常為３￣５　Ｖ）因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件，此時對應的自舉電容工程應用則取Ｃ１躍２Ｑｇ／（ＶＣＣ－１０－１．５）。

　　例如ＦＵＪ　Ｉ５０　Ａ／６００　Ｖ　ＩＧＢＴ充分導通時所需要的柵電荷Ｑｇ＝２５０　ｎＣ（可由特性曲線查得），ＶＣＣ＝１５　Ｖ，那麼Ｃ１＝２伊２５０伊１０－９／（１５－１０－１．５）＝１．４伊１０－７　Ｆ，可取Ｃ１＝０．２２　滋Ｆ或更大一點的，而耐壓躍５０　Ｖ　的電容。

　　在自舉電容的充電路徑上，分布電感影響了充電的速率。下管的最窄導通時間應保證自舉電容能夠充足夠的電荷，以滿足Ｃｇｅ所需要的電荷量再加上功率器件穩態導通時漏電流所失去的電荷量。因此從最窄導通時間ｔｏｎ　ｍｉｎ考慮，自舉電容應足夠小。

　　綜上所述，在選擇自舉電容大小時應綜合考慮，既不能太大影響窄脈衝的驅動性能，也不能太小而影響寬脈衝的驅動要求。從功率器件的工作頻率、開關速度、門極特性進行選擇，估算後經調試而定。

　　２）自舉二極體的選擇自舉二極體是一個重要的自舉器件，它應能阻斷直流幹線上的高壓，二極體承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積。為了減少電荷損矢，應選擇反向漏電流小的快恢復二極體

快恢復二極體

　　快恢復二極體（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極體，主要應用於開關電源、PWM脈寬調製器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極體、續流二極體或阻尼二極體使用。 [全文]

。單從驅動ＰＭ　和ＩＧＢＴ的角度考慮，均不需要柵極負偏置。Ｖｇｅ＝０，完全可以保證器件正常關斷。但在有些情況下，負偏置是必要的。這是因為當器件關斷時，其集電極－發射極之間的ｄｖ／ｄｔ過高時，將通過集電極－柵極之間的（密勒）電容以尖脈衝的形式向柵極饋送電荷，使柵極電壓升高，而ＰＭ，ＩＧＢＴ的門檻電壓通常是３￣５　Ｖ，一旦尖脈衝的高度和寬度到達一定的程度，功率器件將會誤導通，造成災難性的後果。而採用柵極負偏置，可以較好地解決這個問題。

　　２．３　保護電路

　　電力電子常用的保護有過流保護和過壓保護。

　　１）過電流保護在電力電子變換和控制系統運行不正常或發生故障時，可能發生過電流造成開關器件的永久性損壞，快速熔斷器是電力電子變換器系統中常用的一種過電流保護措施。快速熔斷器的過流保護原理是基於快速熔斷器特性與器件特性的保護配合來完成的，即通過選擇快速熔斷器的短路容量約器件的熱容量，使得當發生過流時快速熔斷器先熔斷，以保護器件不損壞。另一種方法是採用電流檢測、比較、判斷，在過流瞬間及時關斷電路。

　　２）過電壓保護電力電子設備在運行過程中，會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現。過電壓保護的基本原理是在瞬態過電壓發生的時候（滋ｓ或ｎｓ級），通過過電壓檢測電路進行檢測。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻

壓敏電阻

　　壓敏電阻（英文名稱「Voltage Dependent Resistor」簡寫為「VDR」, 或者叫做「Varistor"）廣泛應用於電子線路中，用以防護因電力供應系統的暫態電壓突波所可能對電路的傷害。它是一種具有顯著非歐姆導體性質的電子元件，壓敏電阻的阻值隨外部電壓而改變，因此它的電流-電壓特性曲線具有顯著的非線性。 [全文]

。壓敏電阻相當於很多串並聯在一起的雙向抑制二極體，起到電壓箝位的作用。電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導通；電壓低於箝位電壓時，壓敏電阻截止。

　　過電壓檢測電路原理如圖６所示。當有過電壓信號產生時，壓敏電阻被擊穿，呈現低阻值甚至接近短路狀態，這樣在電流互感器的一次側產生一個大電流，通過線圈互感作用在二次側產生一個小電流，再通過精密電阻

精密電阻

　　精密電阻器，由Precision resistance翻譯而來，簡稱精密電阻。普通電阻器區別高精密電阻器的主要依據為阻值誤差大小，阻值大小，溫度係數的大小。分類描述如下：　　對1Ω（歐姆）以上阻值的電阻，與標識阻值相比±0.5[%]以內阻值誤差的電阻可稱為JEPSUN精密電阻，更高精密的可以做到0.01[%]精度，也就是電子工程師所說的萬分之一精度，此類電阻一般為薄膜電阻，使用此材質的電阻一般才能滿足生產工藝要求。這類阻值1Ω以上電阻的普通系列精密度在±5[%]以上，電子產品上最常見的就是5[%]精度的電阻，不屬於精密電阻範圍。　　1Ω以下阻值的電阻，一般能達到±1[%]精密度之內，就算做精密電阻範疇了，因為阻值基數很小，就算是1[%]的誤差，實際的阻值誤差已經很小了。更高精密的可以做到±0.5[%]以內，但工藝要求，技術要求較高。 [全文]

把電流信號轉變為電壓信號；這個信號輸入到電壓比較器ＬＭ３９３　後，ＬＭ３９３　輸出高電平，經過非門Ａ　輸出的控制脈衝２控制電源迴路，斷開開關電源電路。當輸出的高電平輸出ＳＧ３５２４的腳１０時，封鎖輸出脈衝，進行保護。

　　２．４　ＤＣ／ＡＣ逆變電路結構

　　ＤＣ／ＡＣ　變換採用單相輸出，全橋逆變形式，由４個ＩＧＢＴ（Ｇ２０Ｎ４０Ｌ）構成橋式逆變電路，最高耐壓８００　Ｖ，電流２０　Ａ，利用半橋驅動器ＩＲ２１１０提供驅動信號，其輸入波形由ＳＧ３５２４　提供，同理可調節該ＳＧ３５２４的輸出驅動波形的Ｄ＜５０％，保證逆變的驅動方波有共同的死區時間。

　　３　結語

　　結合高校學生《電力電子技術》課程的實踐教學，對上述理論分析和方案設計，通過安裝和調試進行實驗，並應用在風扇、電爐等家用電器的控制，效果良好，達到了預先設計要求。本設計也可引入閉環控制，實現自動調節。隨著智能電力模塊（如ＩＰＭ）的廣泛應用，不僅體積小，轉換效率高，而且具有各種保護功能，同時具有程式控制介面，在實現對整個系統的有效控制和保護方面將更加完善。