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1、模块2 电力电子器件驱动与保护,2.1 电力电子器件驱动电路概述 2.2 晶闸管的驱动与保护 2.3 电流型自关断器件的驱动 2.4 电压型自关断器件的驱动 2.5 自关断器件的保护 2.6 任务实施绝缘栅双极晶体管驱动电路设计 2.7 知识拓展集成驱动芯片介绍 小结,2.1电力电子器件驱动电路概述,1. 驱动电路定义：主电路与控制电路之间的接口 2. 驱动电路的基本任务： 将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换使电力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端之间） 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。,3. 驱动电路的形式 分立
2、元件构成 专用的集成驱动电路 4. 控制电路与主电路之间的电气隔离环节 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 光隔离一般采用光耦合器(光耦）。其连接类型分别有普通型、高速型、高传输比型。,归纳 1,驱动电路 主电路与控制电路之间的接口,性能良好的驱动电路使电力电子器件,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、安全性有重要意义,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。,驱动电路,对半控型器件提 供开通控制信号,关断信号,开通信号,对全控型器件,提供,驱动电路提供控制电路与主电路之
3、间的电气隔离环节（一般采用光隔离或磁隔离）。,驱动电路加在电力电子器件 控制端和公共端之间信号,电流驱动型,电压驱动型,晶闸管,电流驱动型器件,半控型器件,触发电路 晶闸管的驱动电路,归纳 2,2.2 晶闸管的驱动与保护,1. 单结晶体管触发电路（补充内容） 2. 锯齿波同步移相触发器 3. 集成触发电路及数字触发电路 4. 触发电路与主电路电压的同步 5. 晶闸管的串并联及保护,1. 单结晶体管触发电路,对于触发电路通常有如下要求： 触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率 触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步 触发脉冲能满足主电路移相范围的要求 触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡,触发电路通常
4、以组成的主要元件名称分类，可分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器、计算机控制数字触发电路等。,常见的触发脉冲电压波形如下：,单结晶体管触发电路,一、单结晶体管 单结晶体管的结构、图形符号及等效电路如图所示。,单结晶体管触发电路,图2-2 单结晶体管 (a)结构示意 (b)等效电路 (c)图形符号 (d)外形及管脚,分压比,图2-3 单结晶体管伏安特性 (a)单结晶体管实验电路 (b)单结晶体管伏安特性,Ue UP：Ie增大 ，rb1急剧下降 ，UA达到最小，Ue也最小 ，达到谷点V,负阻区（PV段）,达到UV后，单结晶体管处于饱和导通状态,饱和区（VN段）,截止区（ap段）
5、,UeUA ：PN结反偏置， 只有很小的反向漏电流 Ue= UA ：Ie， 特性曲线与横坐标交点处 Ue 上升 ：UeUPUbbUD ，单结晶体管导通，该转折点 称为峰点P,二、单结晶体管自激振荡电路,1. 电源接通：E通过Re对C充电，时间常数为ReC 2. Uc增大，达到 UP ，单结晶体管导通，C通过R1放电 3. Uc减少，达到Uv，单结晶体管截止，R1 下降，接近于零 4. 重复充放电过程,Re的值不能太大或太小，满足电路振荡的Re的取值范围,图2-4 单结晶体管自激振荡电路,为了防止Re取值过小电路不能振荡，一般取一固定电阻r与另一可调电阻Re串联，以调整到满足振荡条件的合适频率。
6、若忽略电容C放电时间，电路的自激振荡频率近似为：,电路中R1上的脉冲电压宽度取决于电容放电时间常数。R2是温度补偿电阻，作用是保持振荡频率的稳定。,三、具有同步环节的单结晶体管触发电路,图2-5 晶体管同步触发电路,注意： 每周期中电容C的充放电不止一次，晶闸管由第一个脉冲触发导通，后面的脉冲不起作用。 改变Re的大小， 可改变电容充电速度，达到调节角的目的。,削波的目的：增大移相范围，使输出的触发脉冲的幅度基本一样。不削波：UPUbb，为正弦半波，移相范围小。,实际应用中，常用晶体管2代替电位器Re，以便实现自动移相。 TP：脉冲变压器，实现触发电路与主电路的电气隔离。,图2-6 单结管触发
7、电路其它形式,2. 锯齿波同步移相触发器,晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率越大。对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。 晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。 同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。,同步电压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。 五个基本环节：同步环节、锯齿波的形成与脉冲移相控制环节、脉冲形成放大与输出环节、双窄脉冲形成环节、强触发环节。,图2-7 同步电压为锯齿波的触发电路,同步电压为锯齿波的触发电路,
8、1) 同步环节,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VT2管来控制的。 VT2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。 VT2由导通变截止期间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。 VT2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。,同步电压为锯齿波的触发电路,同步电压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VT1、VT2、VT3和C2等元件组成,VT1、VS、RP1和R3为一恒流源电路,3
9、）脉冲形成放大与输出环节,VT4、VT5 脉冲形成 VT7、VT8 脉冲放大 控制电压uK加在VT4基极上,脉冲前沿由VT4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VT8集电极电路中。,同步电压为锯齿波的触发电路,4) 双窄脉冲形成环节,内双脉冲电路 VT5、VT6构成“或”门 当VT5、VT6都导通时，VT7、VT8都截止，没有脉冲输出。 只要VT5、VT6有一个截止，都会使VT7、VT8导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本相触发单元的uK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（
10、通过VT6）。,同步电压为锯齿波的触发电路,各点电压波形如图2-8所示。,图2-8 锯齿波触发电路各点电压波形,图2-7 同步电压为锯齿波的触发电路,3.集成触发电路,集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。 晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。 KC04 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。,3.集成触发电路,图2-9 KC04电路原理图,集成触发电路,完整的三相全控桥触发电路 3个KC04集成块和1个KC41C集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。,图2-
11、10 三相全控桥整流电路的集成触发电路,所谓同步，是指给触发电路提供与晶闸管所承受的电源电压保持合适相位关系的电压，使其触发脉冲的相位出现在被触发的晶闸管承受正向电压的区间，确保主电路各晶闸管在每一个周期中按相同的顺序和控制角被触发导通。 定相：将提供给触发电路合适相位的电压称为同步信号电压，正确选择同步信号电压与晶闸管主电压的相位关系称为同步或定相。,4. 触发电路与主电路电压的同步,5. 晶闸管的串并联与保护,一、晶闸管的串联使用 1.串联使用的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。 2.串联使用时的问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。 3.串联使用时
12、要均压措施：一般在器件上并联阻值相等的电阻。,静态均压措施 选用参数和特性尽量一致的器件； 采用电阻均压，Rj的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。 动态均压措施 通常在元件两端并联R、C阻容吸收回路，它既可起过电压保护作用，又可利用电容电压不能突变而减慢元件上的电压变化以实现动态均压的目的,目的：多个器件并联来承担较大的电流。 问题：SCR会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。,二、晶闸管的并联使用,a）电阻均流法：均流电阻阻值大于SCR导通时的内阻 b）电抗均流法,三、 电力电子器件的保护,（一）过电压的产生及过电压保护 1.过电压的产生原因 外因过电压:主要来自雷击和系统
13、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（浪涌过电压） 内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 (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。,过电压的产生,过电压,外因过电压,内因过电压,操作过电压,雷击过电压,换相过电压,关断过电压,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
14、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。 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。,电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形 ，如图所示：,2.过电压的保护措施,针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，称为吸收回路。 （1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关断过电压）,（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）,压敏电阻外形同瓷介电容 特性曲线同正反相稳压管 压敏电阻的接法 ： 单相联接 三相星形联接,过电压抑制措施及配置位置 F避雷器
15、 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,过电压保护措施,（二）过电流的产生及保护,1. 产生：短路、过载时会产生过电流 2. 保护：快速熔断器（1.57IT(AV)IFUITM ）,快速熔断器保护的接法 a)串于桥臂中 b)串于交流侧 c) 串于直流侧,银质熔丝,石英沙,过电流保护,过电流保 护措施,过电流继电器,快速熔断器,直流快 速断路器,同时采用几种过电流保护措施， 提高
16、可靠性和合理性,过电流,短路时的部分区段的保护,整定在电子电路动作之后实现保护,整定在过载时动作,短路,过载,过电流保护措施及配置位置,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。 电流容量因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I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。 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。,保护方式,短路保护 需与其他过电流保护措施相配合,全保护 只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合,不论过载还是短路均由快熔保护,只在短路电流较大的区域内起保护作用,根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型。,2.3 电流型自关断器件的驱动,1.电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR）
