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1、,第二部分 电力电子器件,6,South China University of Technology,第四章 电力电子器件的驱动和保护,驱动电路主电路与控制电路之间的接口 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 对器件或整个装置的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 驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号 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,电力电子器件的驱
2、动和保护,驱动保护电路概述,电力电子器件的驱动和保护,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 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,电流驱动型和电压驱动型,驱动保护电路概述,4.1 晶闸管的触发电路,相控电路： 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小 采用晶闸管相控方式时的交流交流电力变换电路和交交变频电路（第7章） 相控电路的驱动控制 为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有
3、效的触发脉冲。对于相控电路这样使用晶闸管的场合，也习惯称为触发控制，相应的电路习惯称为触发电路。,晶闸管的触发电路,相控电路以及驱动要求,晶闸管的触发电路,单结晶体管,单结晶体管：特殊的半导体器件，三个引出端，只有一个PN结 在高电阻率的N型半导体基片上引出第一基极b1和第二基极b2，在两基极之间靠近b2出掺入P型杂质，引出发射极e,为分压比，一般为0.30.9,晶闸管的触发电路,UeUH时，二极管反偏，只有很少的漏电流 Ue=Ub+UVD,VD导通，Up称为峰点电压，Ip峰点电流 VD导通，Rb1迅速减小，UH下降，Ie增大到Iv时，Ue=UV，Uv谷点电压， Iv谷点电流。P-V两点之间称
4、为负阻区 一旦UeUV, Rb1增大，单结晶体管由导通转入截止。,单结晶体管,晶闸管的触发电路,单结晶体管组成的简易触发电路,加上电源U，电容C充电，当Uc=Up 时，单结晶体管VG导通，C经R2放电，从R2上引出脉冲电压uG触发晶闸管VT UcUv后，VG截止，C又充电，当VG又导通，从而从R2上引出一系列脉冲,晶闸管的触发电路,C的充电时间常数 ，决定脉冲电压uG的产生时刻 放电时间常数 ，决定脉冲宽度,单结晶体管组成的简易触发电路,Re的取值范围,振荡频率,晶闸管的触发电路,同步信号为锯齿波的触发电路,输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲 三个基本环节：脉
5、冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节,点击此处看原理图,1) 脉冲形成环节,V4、V5 脉冲形成 V7、V8 脉冲放大 控制电压uco加在V4基极上,同步信号为锯齿波的触发电路,脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。,电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。,同步信号为锯齿波的触发电路,脉冲形成环节,同步信号为锯齿波的触发电路,脉冲形成环节 V4、V5 脉冲形成 V7、V8 脉冲放大 控制电压uk加在V4基极上。uk对脉冲的控制作用及脉冲形成： uk=0时，V4截止。V5饱和导
6、通。V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E1(30V),脉冲形成环节,点击此处看原理图,点击此处看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,(大于0.7V)时，V4导通，A点电位由+E1(+15V) 1.0V左右，V5基极电位 约-2E1(-30V)， V5立即截止。V5集电极电压由-E1(-15V) +2.1V，V7、V8导通，输出触发脉冲。电容C3放电和反向充电，使V5基极电位 ，直到ub5-E1(-15V)，V5又重新导通。使V7、V8截止，输出脉冲终止。 脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关 电路的触发脉冲由脉冲变压器
7、TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中,V,7,.,0,K,=,u,脉冲形成环节,点击此处看原理图,点击此处看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,同步信号为锯齿波的触发电路波形,同步信号为锯齿波的触发电路,2) 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。,恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成,V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路,图2-54 同步信号为锯齿波的触发电路,锯齿波形成和脉冲移相,同步信号为锯齿波的触发电路,电路组成 锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等 恒流源电路方案，由V
8、1、V2、V3和C2等元件组成 V1、VS、RP2和R3为一 恒流源电路,锯齿波形成和脉冲移相,点击此处看原理图,点击此处看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,工作原理： V2截止时，恒流源电流I1c对电容C2充电， 调节RP2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可见RP2是 用来调节锯齿波斜率的。 V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，ub3电位迅速降到零伏附近 V2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，同样ue3也是一个锯齿波,t,I,C,t,I,C,u,c,c,c,1,1,1,d,1,=,=,锯齿波形成和脉冲移相,点击此处看原理图,点击此处看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,射极跟随器V3
9、的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响 V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uk、直流偏移电压up三者作用的叠加所定 如果uk=0，up为负值时，b4点的波形由uh+ up 确定 当uk为正值时，b4点的波形由uh+ + 确定 M点是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿 加up的目的是为了确定控制电压uk=0时脉冲的初始相位,锯齿波形成和脉冲移相,点击此处看原理图,点击此处看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定 锯齿波是由开关V2管来控制的 V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定 V2由导通变截止期间
10、产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点 V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1,同步环节,点击此处看原理图,点击此处看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,同步信号为锯齿波的触发电路波形,同步信号为锯齿波的触发电路,强触发环节,晶闸管采用强触发可以缩短开通时间，有利于改善串并联器件的动态均压、均流效果、增加触发的可靠性。,强触发电源：由VD11DV14单相桥式整流电路获得50V电压。,VD8截止时，C6充电，D点电位上升到50V；,VD8导通时，C6迅速放电，D点电位迅速下降；,UD小于15V时，VD15导通，由15V电源供电。,点击此处看原理图,点击此处
11、看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,同步信号为锯齿波的触发电路波形,同步信号为锯齿波的触发电路,双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路 V5、V6构成“或”门 当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出 只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生 隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）,双窄脉冲形成环节,点击此处看原理图,点击此处看波形图,同步信号为锯齿波的触发电路,三相桥式电路触发器的连接,VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1-顺序导通， 彼此相隔60度，为能准确的产生双窄脉冲，各触发器
12、应遵循： 前相触发电路的Y接后相的X端的原则。,同步信号为锯齿波的触发电路,同步信号为锯齿波的触发电路波形,分立元件搭建的触发电路结构复杂，性能不够稳定！,集成元件搭建的触发电路结构简单，性能相对稳定！,同步信号为锯齿波的触发电路,晶闸管的触发电路,集成元件组成的触发电路,主要元件：集成运放LM324、双时基电路NE556,移相范围：0180度,点击图形看大图,集成元件组成的触发电路,集成元件组成的触发电路波形,集成元件组成的触发电路,同步环节,Us为正弦同步电压,LM324用作比较器，检测正弦波的过零点,U1、U2为各导通180度且互补的矩形波,点击图形看大图,点击此处看波形,集成元件组成的
13、触发电路,锯齿波形成环节,恒流源,在V1的作用下，电容C2充放电，形成锯齿波U4,点击图形看大图,点击此处看波形,集成元件组成的触发电路,移相环节,LM324用作比较器,通过调节Uk的幅值，可以实现移相的目的,Uk即为外加控制信号,点击图形看大图,点击此处看波形,集成元件组成的触发电路,脉冲形成环节,556用作一对单稳电路,5、9脚输出相差180度的触发脉冲,点击图形看大图,点击此处看波形,集成元件组成的触发电路,脉冲输出环节,电磁隔离,V2起功率放大作用,点击图形看大图,点击此处看波形,晶闸管的触发电路,同步电压的选择,触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保
14、持固定、正确的相位关系 措施： 同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致 触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系,晶闸管的触发电路,三相桥整流器，采用锯齿波同步触发电路时的情况 同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了的30线性度不好，舍去不用，使用中间的180。锯齿波的中点与同步信号的300位置对应 使Ud=0的触发角 为90。当 90时为逆变工作 将 =90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。于是 =90与同步电压的300对应，也就是 =0与同步电压的210对应。 =0对应于uu的30的位置，则
15、同步信号的180与uu的0对应，说明VT1的同步电压应滞后于uu 180,同步电压的选择,晶闸管的触发电路,变压器接法：主电路整流变压器为Y/Y-12联结，同步变压器为Y/Y-6联结,主变压器和同步变压器的连接,晶闸管的触发电路,主电压与同步电压的对应关系,4.2 GTO的驱动电路,GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。,图1-28推荐的GTO门极电压电流波形,正的门极电流,5V的负偏压,GTO驱动电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。,GTO的驱动电路,GTO的驱动电路的要求,GTO的驱动
16、电路,GTO的驱动电路的要求,GTO属于电流驱动型器件,脉冲前沿的陡度,脉冲的宽度,脉冲的幅值,脉冲后沿的陡度,要求：脉冲的前沿越陡越有利； 而后沿应平缓一些。,正脉冲的后沿太陡会产生负尖峰； 负脉冲的后沿太陡会产生正尖峰； 误触发,GTO的驱动电路,GTO的触发方式,直流触发,1,连续脉冲触发,2,单脉冲触发,3,GTO的驱动电路,GTO驱动电路（恒压源关断）,GTO的驱动电路,GTO驱动电路（变压源关断）,GTO的驱动电路,GTO驱动电路（脉冲变压器关断）,GTO的驱动电路,直接耦合式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。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,典型的直接耦合式GTO驱动电路,GTO驱动电路（直接耦合式）,4.3 GTR的驱动电路,GT的驱动电路,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V
