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1、朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔主 讲：朱 明 高级经济师、高级工程师、高级技师高级国家职业技能考评员高级技能专业教师第9章 电力电子器件应用的共性问题朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔第9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朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔2/269.1 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 路朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔3/269.1.1 电力电子器件驱
2、动电 路概述驱动电 路 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。驱动电 路的基本任务 按控制目标的要求给器件施加开通或关断的信号。 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。朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔4/269.1.1 电力电子器件驱动电 路概述驱动电 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
3、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。ERERERa)c)U inR1ICIDR1R1U outb) 图9-1 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔5/269.1.1 电力电子器件驱动电 路概述驱动电 路的分类 按照驱动电 路加在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。驱动电
4、 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。朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔IIMt1t2t3t4图9-2 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（7V时动作，此时已远大 于饱和压降；存在保护肓区；在实现止常关断时仅能提 供一5V偏压，在开关频率较高、负载过大时，关断就显 得不可靠；无过流保护自锁功能，在短路保护时其栅压 的软关断过程被输入的关断信号所打断。49/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔M5
5、7962L型IGBT驱动器的原理和接线图 三菱驱动模块M57962L 50/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔 与EXB841相比，M57962AL需要双电源 (+15V，一1OV)供电，外周电路复杂。而 正是因为M57962AL可输出一10V的偏压 ，使得IGBT可靠地关断；另外， M57962AL具有过流保护自动闭锁功能， 并且软关断时间可外部调节，而EXB84l 的软关断时间无法调节。所以M57962AL 较EXB841更安全、可靠。 51/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔Hcpl-316j52/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔 欠压锁定保护 过流
6、保护功能 同EXB841和M57962AL一样无降栅压保 护。因此，GH-039驱动模块也是有缺 陷的。 53/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔IR系列驱动器 IR系列驱动器采用了不隔离的驱动方式，在 主电路的功率器件损坏时，高压可能直接 串入驱动器件，致使驱动模块及前极电路 损坏。54/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔5.UC37系列驱动 器 UC37系列驱动器 该系列驱动器一般由 UC3726和UC3727两片芯片配对使用，其工 作频率较高，但在两芯片之间需增加脉冲 变压器，给电路的使用和设计带来 不便， 因此该系列驱动器并未得到推广。55/75朱明工作室zhu
7、bob授人以鱼不如授人以渔 IGBT损坏的原因可以归结为以下3个方面 ： 过热损坏，它又分为由于集电极电流过大 引起的瞬时过热损坏和其它原因引起的持 续过热损坏； 集电极发射极间过压损坏； 栅极过压损坏。9.1.4 IGBT器件的保护56/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔 IGBT的保护要从以下4个方面着手： 集电极发射极间过电压保护； 栅极过电压保护； 过流保护； 过热保护。9.1.4 IGBT器件的保护57/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔一、常用的保护措施：(1)通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护(2)利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv/
8、dt。(3)利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电 路跳问，实现过热保护。二、过电流保护措施及注意问题：1IGBT短路时间：9.1.4 IGBT器件的保护58/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔59/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔2过电流的识别：采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大 小。进而切断门极控制信号。注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流 时间（几个us），同时判断短路的真与假，常用方法是利用 降低门极电压使IGBT承受短路能力增加，保护电路动作时间 延长来处理。3保护时缓关断：由于IGBT过电流时电流幅值很大，
9、加之IGBT关断速度快。 如果按正常时的关断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的 尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿，极易损坏IGBT和设 备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内 采取措施使IGBT进行“慢速关断”。60/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔61/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔采用电流互感器和霍尔元件进行过流检测及过流保护：62/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔短路（过流）保护 （1）短路模式单臂短路接地短路输出短路桥臂直通短路63/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔（2）电流检测法保护64/75朱明
10、工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔（3）Vce（sat）检测法保护65/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔降额应用66/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔散热考虑 功率模块内部热阻分布1200V (Al2O3）IGBT模块内部热阻分布比例 67/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔安装加工 （1） 预防ESD损伤IGBT的栅氧厚度比功率MOSFET要厚，这使得它对静电 不如后者敏感。但是IGBT毕竟是MOS栅器件，应用中须有防静电措施：控制电路中设计栅极泻放电阻和稳压管保护；运输、储存、加工、焊接中注意避免静电损伤（静电电压控制在100V以下）；68/75
11、朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔(2) 使用平整度好的散热器Heatsink 20（100） m 6,3 m平整度粗糙度100mmHeat sinkSemiconductor power module平整度不佳的散 热器导致气隙和 散热问题。69/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔（3）均匀涂抹满足厚度要求的导热硅脂硅脂厚度通常 要求：有铜底板模块200A三、缓冲电路83/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔缓冲电路参数估算：缓冲电容：L主回路杂散电感（与配线长度有关） I0关断时漏极电流VCEP缓冲电容上电压稳态值（有安全区确定）Ed直流电源电压缓冲电阻：在关
12、断信号到来前，将缓冲电容上电荷放净f ：开关频率缓冲电阻功率： LS：缓冲电路电感84/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔一、静音式变频调速系统9.1.5 IGBT器件的应用电路85/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔二、工业加热电源：86/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔三、逆变弧焊电源：87/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔四、不间断电源：UPS88/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔五、有源功率滤波器：89/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔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
13、 过电流保护90/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔9.2.1 过电压的产生及过电压保护过电压分为外因过电压和内因过电压两类。 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括操作过电压：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。 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压：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。 91/75朱明工作室zhubob
14、授人以鱼不如授人以渔9.2.1 过电压的产生及过电压保护图9-10 过电压抑制措施及配置位置 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电路过电压抑制措施及配置位置 各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。 RC3和RCD为抑制内因过电压的措施。 92/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔9.2.1 过电压的产生及过电压保护图9-11 RC过电压抑制电路联结方式
15、a)单相 b)三相图9-12 反向阻断式过电压抑制用RC电路抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路。 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。 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。 93/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔9.2.2 过电流保护图9-13 过电流保护措施及配置位置 过电流分过载和短路两种情况。 过电流保护措施及其配置位置 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，以提高保护的可靠性和合理 性。通常，电
16、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。 94/75朱明工作室zhubob授人以鱼不如授人以渔9.2.2 过电流保护快速熔断器（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。 快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。 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
