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1、合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组电 力 电 子 技 术 Power Electronic Technology合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组第五讲 电力电子器件（四）4.1 电力电子器件驱动电路4.2 电力电子器件器件的保护4.3 电力电子器件器件的串联和并联使用合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1 电力电子器件驱动电路4.1.1 电力电子器件驱动电路概述4.1.2 晶闸管的触发电路4.1.3 典型全控型器件的驱动电路返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.1 电力电子器件驱动电路概述 驱动电路主电路与控制电路之间
2、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 信号返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.1 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
3、隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.1 电力电子器件驱动电路概述电流驱动型和电压驱动型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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.2 晶闸管的触发电路 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 广义上讲，还包括对其触发时刻
4、进行控制的相位控 制电路 晶闸管触发电路应满足下列要求： 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的 概念） 触发脉冲应有足够的幅度 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之 内 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔 离返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.2 晶闸管的触发电路图1-26 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s） t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值 （3IGT5IGT） t1t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT ）合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.2 晶闸管的触发电路
5、V1、V2构成脉冲放大环节 脉冲变压器TM和附属电 路构成脉冲输出环节 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 图1-27 常见的晶闸管触发电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路1. 电流驱动型器件的驱动 电路 GTOGTO的开通控制与普通晶闸 管相似，但对脉冲前沿的幅 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，关断后还应在门阴极 施加约5V的负偏压
6、以提高抗 干扰能力图1-28 推荐的GTO门极电压电流波形返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路 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 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，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路 典型的直接耦合式GTO驱 动电路：二极管VD1和电容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
7、电容C4提供-15V电压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提供门极负偏压图1-29 典型的直接耦合式 GTO驱动电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路GTR 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左 右）的负偏压图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电
8、路 GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大 电路两部分图1-31 GTR的一种驱动电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路u二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位 电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如 V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。有了贝 克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基 极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流 流入集电极，维持Ubc0。uC2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短 路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡 度，加快开通合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3
9、典型全控型器件的驱动电路2.电压驱动型器件的驱动电路 栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱 动电压，要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT 开通的驱动电压一般15 20V 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 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 的增大而减小合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路 电力MOSFET的一种 驱动电路：电气隔离 和晶体管放大电路两 部分 无输入信号时高速放 大器A输出
10、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 图1-32 电力MOSFET的一种驱动电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路专为驱动电力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。 合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路IGBT的驱动 多采用专用的混合集成驱动器图1-33 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图合肥工业大学电气工程
11、学院电力电子技术精品课程项目组4.1.3 典型全控型器件的驱动电路 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EXB840、 EXB841、EXB850和EXB851） 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快 速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号 M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电 压为 -10V。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2 电力电子器件器件的保护4.2.1 过电压的产生及过电压保护4.2.2 过电流的产生及过电流保护4.2.3 缓冲电路（Snubber Circui
12、t）返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.1 过电压的产生及过电压保护 电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因(1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2) 雷击过电压：由雷击引起 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程(1) 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 结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了 阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应 出过电压(2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线 路电感在器件两端感应出的过电压返回
13、合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.1 过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施图1-34 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电路合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.1 过电压的产生及过电压保护电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴外因过
14、电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方 式见图1-35 RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧， 电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.1 过电压的产生及过电压保护图1-35 RC过电压 抑制电路联结方式a) 单相 b) 三相合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.1 过电压的产生及过电压保护大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路图1-36 反向阻断式过电压抑制用RC电路保护电路参数计算可参考相关工程手册其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和
15、转 折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.2 过电流的产生及过电流保护 过电流过载和短路两种情况 常用措施（图1-37）图1-37 过电流保护措施及配置位置返回合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.2 过电流的产生及过电流保护 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和 合理性 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 定在过载时动作合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.2 过电流的产生及过电流保护快速熔断器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：(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定(3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值(4)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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组4.2.2 过电流的产生及过电流保护 快熔对器件的保护方式：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 短路保护方
