《电力电子技术-第五版第9章电力电子器件应用的共性问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子技术-第五版第9章电力电子器件应用的共性问题（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第九章 电力电子器件应用 的共性问题 9 1 电力电子器件的驱动 9 2 电力电子器件的保护 9 3 电力电子器件的串联使用和并联使用 本章小结 9 1 电力电子器件的驱动 9 1 1 电力电子器件驱动电路概述 9 1 2 晶闸管的触发电路 9 1 3 典型全控型器件的驱动电路 3 9 1 1 电力电子器件驱动电路概述 是电力电子主电路与控制电路之间的接口 良好的驱动电路使电力电子器件工作在较理想 的开关状态 缩短开关时间 减小开关损耗 对装置的运行效率 可靠性和安全性都有重要 的意义 一些保护措施也往往设在驱动电路中 或通过 驱动电路实现 一 驱动电路 4 按控制目标的要求给器件施加开通或关
2、断的 信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全 控型器件则既要提供开通控制信号 又要提供 关断控制信号 二 驱动电路的基本任务 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间 的电气隔离环节 一般采用光隔离或磁隔离 5 光隔离一般采用光耦合器 光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成 封装在一个外壳内 有普通 高速和高传输比三种类型 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 当脉冲较宽时 为避免铁心饱和 常采用 高频调制和解调的方法 E R E R E R a b c U in U out R 1 ICID R 1 R 1 图9 1 光耦合器的类型及接法 a 普通型 b 高速型 c 高传输比型 6 按照驱动电路加在
3、电力电子器件控制端和公 共端之间信号的性质 可以将电力电子器件分 为电流驱动型和电压驱动型两类 晶闸管的驱动电路常称为触发电路 三 驱动电路的分类 7 驱动电路具体形式可为分立元件的 但目前的趋 势是采用专用集成驱动电路 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成 在内的混合集成电路 为达到参数最佳配合 首选所用器件生产厂家 专门开发的集成驱动电路 8 9 1 2 晶闸管的触发电路 I IM t1t2t3t4 图9 2 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1 t2 脉冲前沿上升时间 1 s t1 t3 强脉冲宽度 IM 强脉冲幅值 3IGT 5IGT t1 t4 脉冲宽度 I 脉冲平顶幅值 1 5I
4、GT 2IGT 作用 产生符合要求的 门极触发脉冲 保证晶闸 管在需要的时刻由阻断转 为导通 晶闸管触发电路还包括 对其触发时刻进行控制的 相位控制电路 触发电路应满足的要求 略 一 晶闸管的触发电路 9 图9 3 常见的晶闸管触发电路 由V1 V2构成的脉冲放大环 节和脉冲变压器TM和附属电路 构成的脉冲输出环节两部分组成 当V1 V2导通时 通过脉冲 变压器向晶闸管的门极和阴极之 间输出触发脉冲 VD1和R3是为了V1 V2由导通 变为截止时脉冲变压器TM释放 其储存的能量而设的 二 常见的晶闸管触发电路 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分 还需适 当附加其它电路环节 10 9 1 3 典
5、型全控型器件的驱动电路 O t t O uG iG 图9 4 推荐的GTO门极电压电流波形 开通控制与普通晶闸管 相似 但对触发脉冲前沿 的幅值和陡度要求高 且 一般需在整个导通期间施 加正门极电流 使GTO关 断需施加负门极电流 对 其幅值和陡度的要求更高 幅值需达阳极电流 的1 3左右 陡度需 达50A s 强负脉 冲宽度约30 s 负 脉冲总宽约100 s 施加约5V的负偏 压 以提高抗干 扰能力 一 电流驱动型器件的驱动电路 GTO和GTR是电流驱动型器件 1 GTO 11 O t t O uG iG 图9 4 推荐的GTO门极电压电流波形 GTO一般用于大 容量电路的场合 其驱 动电
6、路通常包括开通驱 动电路 关断驱动电路 和门极反偏电路三部分 可分为脉冲变压器耦 合式和直接耦合式两种 类型 幅值需达阳极电流 的1 3左右 陡度需 达50A s 强负脉 冲宽度约30 s 负 脉冲总宽约100 s 施加约5V的负偏 压 以提高抗干 扰能力 12 图9 5 典型的直接耦合式GTO驱动电路 可避免电路内部的相 互干扰和寄生振荡 可得 到较陡的脉冲前沿 缺点 是功耗大 效率较低 电路的电源由高频电 源经二极管整流后提供 VD1和C1提供 5V电压 VD2 VD3 C2 C3构成 倍压整流电路提供 15V 电压 VD4和C4提供 15V 电压 直接耦合式驱动电路 13 图9 5 典型
7、的直接耦合式GTO驱动电路 V1开通时 输出正强 脉冲 V2开通时 输出 正脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时 输出负脉冲 V3关断后 R3和R4提供门极负偏压 14 t O ib 开通的基极驱动电流应使 其处于准饱和导通状态 使之 不进入放大区和深饱和区 关断时 施加一定的负基 极电流有利于减小关断时间和 图9 6 理想的GTR基极驱动电流波形 2 GTR 关断损耗 关断后同样应在基射极之间施加一定幅 值 6V左右 的负偏压 GTR的一种驱动电路 包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 15 VD2和VD3构成贝克箝位 电路 是一种抗饱和电路 可 使GTR导通时处于临界饱和状 态 C2为加速开通
8、过程的电容 开通时R5被C2短路 这样可 以实现驱动电流的过冲 并 图9 7 GTR的一种驱动电路 增加前沿的陡度 加快开通 驱动GTR的集成驱动电路中 THOMSON公司 的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见 16 为快速建立驱动电压 要求驱动电路具有较 小的输出电阻 使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一 般取10 15V 使IGBT开通的栅射极间驱动电压 一般取15 20V 二 电压驱动型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件 关断时施加一定幅值的负驱动电压 一般取 5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗 17 图9 8 电力MOSFET的一种驱
9、动电路 包括电气隔离和晶体管放大 电路两部分 当无输入信号时 高速放大器A输出负电平 V3 导通输出负驱动电压 当有输 入信号时A输出正电平 V2导 通输出正驱动电压 在栅极串入一只低值电阻 数十欧左右 可以 减小寄生振荡 该电阻阻值应随被驱动器件电流 额定值的增大而减小 1 电力MOSFET 18 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电 路有三菱公司的M57918L 其输入信号电流幅值 为16mA 输出最大脉冲电流为 2A和 3A 输出 驱动电压 15V和 10V 多采用专用的混合集成驱动器 常用的有三菱 公司的M579系列 如M57962L和M57959L 和富 士公司的EXB系列 如
10、EXB840 EXB841 EXB850和EXB851 2 IGBT 19 图9 9 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 20 9 2 电力电子器件的保护 9 2 1 过电压的产生及过电压保护 9 2 2 过电流保护 9 2 3 缓冲电路 21 采用整流变压器的原因 晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往 往不一致 尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰 要求 交 直流能够隔离 限定U2的原因 U2过高 增大 使功率因数变坏 无功功率增 大 U2过低 可能在 0 时仍达不到负载要求的额定 电压 22 9 2 1 过电压的产生及过电压保护 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等
11、外部原因 操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起的 过电压 雷击过电压 由雷击引起的过电压 一 过电压的类型 过电压分为外因过电压和内因过电压两类 1 外因过电压 23 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开 关过程 换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的 二极管在换相结束后 反向电流急剧减小 会 由线路电感在器件两端感应出过电压 关断过电压 全控型器件在较高频率下工作 当器件关断时 因正向电流的迅速降低而由线 路电感在器件两端感应出的过电压 2 内因过电压 24 原因 由于电路中电感元件积聚的能量骤然释放 或是外界侵入电路的大量电荷累积 阻容保护 压敏电阻或硒堆 二 过电压保护 过电压
12、保护的部位 交流侧保护 直流侧保护 和器件保护 1 交流侧过电压 25 原因 由于快速熔断器熔断 直流电抗器所贮存 能量释放时 会造成过电压 阻容保护 压敏电阻或硒堆 2 直流侧过电压 3 晶闸管关断过电压 器件阻容保护 26 F 避雷器 D 变压器静电屏蔽层 C 静电感应过 电压抑制电容 RC1 阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 RC2 阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV 压敏电阻过电压抑制器 RC3 阀器件换相过电 压抑制用RC电路 RC4 直流侧RC抑制电路 RCD 阀器件关断过电压抑制用RCD电路 图9 10 过电压抑制措施及配置位置 27 各电力电子装置可视具体情况只采用其中的
13、 几种 RC3和RCD为抑制内因过电压的措施 抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路 采用雪崩二极管 金属氧化物压敏电阻 硒堆 和转折二极管 BOD 等非线性元器件来限制或 吸收过电压也是较常用的措施 三 过电压抑制措施及配置位置 28 图9 11 RC过电压抑制电路联结方式 a 单相 b 三相 图9 12 反向阻断式过电压抑制用RC电路 对大容量的电力电子装置 可采用图9 12所示 的反向阻断式RC电路 29 9 2 2 过电流保护 图9 13 过电流保护措施及配置位置 30 快速熔断器 直流快速断路器和过电流继电 器是较为常用的措施 一般电力电子装置均同时 采用几种过电流保护措施 以提高保
14、护的可靠性 和合理性 通常 电子电路作为第一保护措施 快熔仅 作为短路时的部分区段的保护 直流快速断路器 整定在电子电路动作之后实现保护 过电流继电 器整定在过载时动作 一 过电流的原因 过电流分过载和短路两种情况 二 过电流保护措施及其配置位置 31 快速熔断器 简称快熔 是电力电子装置中最有效 应用最广的一种 过电流保护措施 选择快熔时应考虑 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压 来确定 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主 电路联结形式确定 快熔的 t值应小于被保护器件的允许 t值 为保证熔体在正常过载情况下不熔化 应考 虑其时间 电流特性 32 快熔对器件的保护方式可分为全保护和短
15、路保 护两种 全保护 过载 短路均由快熔进行保护 适 用于小功率装置或器件裕度较大的场合 短路保护 快熔只在短路电流较大的区域起 保护作用 对重要的且易发生短路的晶闸管设备 或全控 型器件 需采用电子电路进行过电流保护 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护 环节 器件对电流的响应是最快的 33 9 2 3 缓冲电路 缓冲电路 Snubber Circuit 又称为吸收电路 其作用是抑制电力电子器件的内因过电压 du dt或者过电流和di dt 减小器件的开关损耗 分类 分为关断缓冲电路和开通缓冲电路 关断缓冲电路 又称为du dt抑制电路 用 于吸收器件的关断过电压和换相过电压 抑制 du
16、 dt 减小关断损耗 开通缓冲电路 又称为di dt抑制电路 用于 抑制器件开通时的电流过冲和di dt 减小器件的 开通损耗 34 复合缓冲电路 关断缓冲电路和开通缓冲电路结 合在一起 还可分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 耗能式缓冲电路 缓冲电路中储能元件的 能量消耗在其吸收电阻上 馈能式缓冲电路 缓冲电路能将其储能元 件的能量回馈给负载或电源 也称无损吸收电路 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路 而将开通 缓冲电路区别叫做di dt抑制电路 35 b t uCE iC O d i dt 抑制电路时无 di dt抑制电路时 有 有缓冲电路时 无缓冲电路时 uCE iC 图9 14 di dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 a 电路 b 波形 图9 14a给出的 是一种缓冲电路和 di dt抑制电路的电 路图 在无缓冲电路的 情况下 di dt很大 关断时du dt很大 并出现很高的过 电压 如图9 14b 缓冲电路 36 b t uCE iC O di dt抑制电路时 无 di dt抑制电路时 有 有缓冲电路时 无缓冲电路时 uCE iC 图9 14 di dt抑制电路和充放
