臺灣博碩士論文加值系統

近年來，環保議題使得節能、無污染的工業設備需求與日俱增。電力電子技術的快速進步也導致交流馬達驅動系統的顯著發展。高功率交流馬達驅動器可能必須提供高達數百安培的電流，且仍舊要求具有高可靠度和高效率。在超過200kW的功率容量，利用絕緣閘極雙極性電晶體技術，操作在2-20kHz的切換頻率是很尋常的。在此應用需求下，絕緣閘極雙極性電晶體並聯技術長被採用以有效分流。在本論文中，我們研究絕緣閘極雙極性電晶體並聯技術，以實現一部460安培交流馬達驅動系統。其實驗波形詳細地被量測與討論，結果令人滿意。

In recent years, growing concerns about environmental issues have demanded more energy efficient nonpolluting industrial facilities. The rapid advances in power electronic technology have enabled the significant developments in AC motor drive system. A high power AC motor drive must provide high current up to hundreds of amperes and still have high reliability and effectiency. Switching frequency of 2-20kHz are common with insulated gate bipolar transistor (IGBT) technology for power levels over 200kW. Under such requirements, IGBT paralleling is usually used to share the current equally. In this thesis, we study and realize the IGBT paralleling technology to implement a 460A AC motor drive system. The experimental waveforms are measured and discussed in details. The results are satisfactory.

中文摘要…………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要…………………………………………………………………Ⅱ
誌謝………………………………………………………………………Ⅲ
目錄………………………………………………………………………Ⅳ
圖表目錄…………………………………………………………………Ⅵ
第一章 緒論………………………………………………………1
1.1 研究動機及目的……………………………………………………………1
1.2 論文大綱……………………………………………………………………4
第二章 功率開關元件……………………………………………5
2.1 前言…………………………………………………………………………5
2.2 閘流體………………………………………………………………………7
2.2.1 閘流體之導通………………………………………………………10
2.2.2 閘流體之截止………………………………………………………11
2.3 雙極性接面電晶體…………………………………………………………13
2.4 場效電晶體…………………………………………………………………15
2.5 絕緣閘極雙極性電晶體……………………………………………………18
第三章 驅動電路………………………………………………24
3.1閘極與基極驅動之隔離……………………………………………………28
3.2閘極驅動……………………………………………………………………29
3.2.1閘極驅動電壓………………………………………………………30
3.2.2閘極電阻……………………………………………………………31
3.2.3閘極驅動功率需求…………………………………………………33
3.2.4閘極驅動電路佈線…………………………………………………34
3.3 保護線路……………………………………………………………………36
3.3.1 dv/dt保護……………………………………………………………36
3.3.2 短路保護……………………………………………………………37
第四章 並聯技術………………………………………………41
4.1 靜態電流平衡………………………………………………………………41
4.2 動態電流平衡………………………………………………………………44
4.3並聯技術討論………………………………………………………………48
第五章 實作及討論……………………………………………50
5.1 TD350………………………………………………………………………50
5.1.1 TD350功能描述……………………………………………………52
5.2 實體電路……………………………………………………………………58
第六章 結論及未來展望………………………………………75
參考文獻…………………………………………………………………………………77
作者簡介…………………………………………………………………………………79
圖1.1 功率半導體的發展歷史…………………………………………………………3
圖2.1 二極體：(a)電路符號(b)理想特性(c)逆向偏壓(d)正向偏壓………………6
圖2.2 閘流體：(a)電路符號(b)理想特性……………………………………………6
圖2.3 閘流體：(a)基本結構(b)等效電路……………………………………………8
圖2.4 電流增益隨射極電流的典型變化情形…………………………………………8
圖2.5 閘流體之雙電晶體暫態模型……………………………………………………9
圖2.6 閘極電流對順向阻斷電壓之影響………………………………………………10
圖2.7 導通特性…………………………………………………………………………11
圖2.8 反向恢復特性……………………………………………………………………12
圖2.9 雙極性接面電晶體………………………………………………………………14
圖2.10 雙極性接面電晶體理想特性…………………………………………………14
圖2.11 達靈頓電路架構：(a)二電晶體達靈頓(b)三電晶體達靈頓………………15
圖2.12 金氧半場效體的物理結構(a)俯視圖(b)截面圖……………………………16
圖2.13 N金氧半場效體通道：(a)電路符號(b)理想特性…………………………17
圖2.14 絕緣閘極雙極性電晶體之截面圖……………………………………………19
圖2.15 絕緣閘極雙極性電晶體之等效電路…………………………………………19
圖2.16 絕緣閘極雙極性電晶體晶片結構之等效電路架構…………………………20
圖2.17 絕緣閘極雙極性電晶體巨觀模型之等效電路………………………………21
圖2.18 功率半導體元件之功率容量比較……………………………………………23
圖3.1 功率轉換器之典型結構…………………………………………………………24
圖3.2 變頻式轉換器……………………………………………………………………24
圖3.3 PWM-VSI電路架構……………………………………………………………25
圖3.4 單相橋式變流器閘極信號………………………………………………………26
圖3.5 閘極脈波…………………………………………………………………………26
圖3.6 閘極與地之間的閘極驅動電路…………………………………………………27
圖3.7 變壓器隔離之閘極驅動電路……………………………………………………28
圖3.8 光耦合器之閘極區隔離…………………………………………………………29
圖3.9 絕緣閘極雙極性電晶體閘極驅動電路…………………………………………30
圖3.10 反向偏壓和切換能量的關係…………………………………………………31
圖3.11 閘極電阻和切換時間的關係…………………………………………………32
圖3.12 閘極電阻和切換損耗的關係…………………………………………………33
圖3.13 閘極充電電量…………………………………………………………………34
圖3.14 閘極驅動線路佈線……………………………………………………………35
圖3.15 單相換流器……………………………………………………………………36
圖3.16 dv/dt對絕緣閘極雙極性電晶體閘極電路的影響……………………………37
圖3.17 過電流保護邏輯圖……………………………………………………………38
圖3.18 適用於飽和狀態下的短路保護………………………………………………38
圖3.19 VGE箝制電路…………………………………………………………………40
圖3.20 降低tw時的短路………………………………………………………………40
圖4.1 最大不平衡電流vs. VCE(sat) ……………………………………………………43
圖4.2 不平衡電流的定義………………………………………………………………43
圖4.3 對稱和非對稱負載連接…………………………………………………………44
圖4.4 非對稱系統所引起的不平衡電流………………………………………………45
圖4.5 並聯模組閘極驅動電路…………………………………………………………46
圖4.6 不適當的閘極驅動電路所引起的不平衡電流…………………………………46
圖4.7 對稱和非對稱的主電路連接……………………………………………………47
圖4.8 非對稱主電路線感不平衡所引起的導通電流不平衡…………………………47
圖4.9 加射極回授電阻之絕緣閘極雙極性電晶體並聯………………………………49
圖4.10 加射極回授電感之絕緣閘極雙極性電晶體並聯……………………………49
圖5.1 TD350架構圖……………………………………………………………………51
圖5.2 導通和截止………………………………………………………………………54
圖5.3 短路保護…………………………………………………………………………55
圖5.4 主動式米勒電位箝制……………………………………………………………55
圖5.5 最小ON時間……………………………………………………………………56
圖5.6 低電壓保護………………………………………………………………………56
圖5.7 反向偏壓安全工作區……………………………………………………………57
圖5.8 變頻器簡圖………………………………………………………………………58
圖5.9 使用TD350為驅動IC之架構圖………………………………………………58
圖5.10 並聯閘極驅動電路……………………………………………………………59
圖5.11 靜向電流路徑…………………………………………………………………60
圖5.12 使用補償耦合電感……………………………………………………………61
圖5.13 上下橋輔助集極和射極電路…………………………………………………61
圖5.14 閘極和射極間加入一耦合電感………………………………………………62
圖5.15 驅動電路電流路徑……………………………………………………………63
圖5.16 靜向電流路徑…………………………………………………………………63
圖5.17 TD350驅動電路………………………………………………………………65
圖5.18 並聯閘極驅動電路……………………………………………………………66
圖5.19 未加平衡電感之暫態啟動電流波形…………………………………………67
圖5.20 已加平衡電感之暫態啟動電流波形…………………………………………67
圖5.21 未加平衡電感之暫態煞車電流波形…………………………………………68
圖5.22 已加平衡電感之暫態煞車電流波形…………………………………………68
圖5.23 未加平衡電感之穩態電流波形………………………………………………69
圖5.24 已加平衡電感之穩態電流波形………………………………………………69
圖5.25 未加平衡電感之暫態啟動電流波形放大圖…………………………………70
圖5.26 已加平衡電感之暫態啟動電流波形放大圖…………………………………70
圖5.27 未加平衡電感之暫態煞車電流波形放大圖…………………………………71
圖5.28 已加平衡電感之暫態煞車電流波形放大圖…………………………………71
圖5.29 絕緣閘極雙極性電晶體內部圖………………………………………………72
圖5.30 驅動電路空板…………………………………………………………………72
圖5.31 驅動電路板……………………………………………………………………73
圖5.32 單一顆絕緣閘極雙極性電晶體和耦合電感…………………………………73
圖5.33 兩顆絕緣閘極雙極性電晶體並聯圖…………………………………………74
圖5.34 容量440V-460A-300HP變頻器實體………………………………………74
表2.1 可控式開關特性比較……………………………………………………………22
表4.1 絕緣閘極雙極性電晶體模組並聯動作和電流分流……………………………42
表4.2 並聯技術應用上的飽和電壓分類………………………………………………42
表5.1 TD350各接腳功能和定義………………………………………………………52

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