电力电子应用技术书 74节

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1、7.4 电力电子器件与变流器的串并联技术在大容量的电力电子装置中，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求， 或单个机组的容量不能满足要求时，常常将多个电力电子器件串联或并联，或者将多个变 流器单元（机组）串联或并联，以组成更大容量的装置。器件和机组的串联或并联都带来 相应的技术问题，下面逐一介绍。7.4.1 电力电子器件的串联和并联1电力电子器件的串联电力电子器件串联要解决的首要问题是均压问题，包括动态均压和静态均压。理想的 串联希望各器件承受的电压相等，但实际上因器件特性间的差异，一般都会存在电压分配 不均匀的问题。（1）静态均压 串联的器件流过的漏电流总是相同的，但由于静态伏安特性

2、的分散性，各器件所承受 的电压是不等的。图7-25 为两个晶闸管串联的情况。为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压，如图中的R。R的阻值应比任何一个器件 p P阻断时的正、反向电阻小得多，这样才能使每个晶闸管分担的电压决定于均压电阻的分压。2）动态均压T2T1TC图7-25 晶闸管的串联及均压措施开关器件总处在开通和关断的动态过程中，元件两 端的电压应力变化很大，因此可以说，动态均压和静态 均压对元件可靠运行同等重要。由于器件动态参数和特 性的差异，势必造成串联器件的不均压，即所谓动态不 均压问题。为达到动态均压，同样首先应选择动态参数 和特性尽量一致的器件；

3、另外，还可以用 RC 并联支路 来产生动态均压，如图中所示。对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发也可以显著减小器件开通时间上的差异。在自关断器件中， GTO 晶闸管具有较高的电流和电压容量，是高压大容量逆变装置的 首选器件。过去在GTO晶闸管进行串联时，由于它的存储时间较长，存储时间的分散性较 大，造成GTO晶闸管的串联均压困难。为了平衡存储时间差异造成的关断动态过电压，需 要较大容量的吸收电容器C,这会在与电容串联的阻尼电阻R中损耗较大的电能，使得均 压效果难以提高。为了解决GTO因存储时间差异较大造成的串联均压困难，发展出门极硬驱动技术及相应的GTO,解决了串联时的许多有关难题，同时降低了开

4、通和关断均压电路 中的损耗，改善了均压性能。主要措施如下： 采用di/dt高达3kAM的硬关断门极负脉冲，使GTO晶闸管的存储时间由20网左右降 低到1庵左右，从硬驱动门极负脉冲及普通驱动门极脉冲的关断波形的差异来看，原有的存 储时间tds已基本消除。采用强硬驱动门极正脉冲加快开通，开通过程的延迟时间t可以从几微秒下降到1网d之内，串联GTO晶闸管的开通延迟时间的差异大大减小。所以硬驱动不仅解决了关断动态图7-26两只GTO晶闸管串联硬驱动原理图由于硬驱动措施的应用，对一个3000A4500V的GTO晶闸管，开通损 耗下降约 2/3，开通过程的均压得到明 显的改善。对于关断性能的改善更大， 上

5、述3000A最大可关断电流的GTO晶 闸管采用硬驱动后，能关断 5500A 的 电流，几乎是原来可关断电流的两倍， 关断吸收电容可减小到原来的 1/6，关 断损耗减小到原来的 1/10以下。这样， GTO 晶闸管串联困难的问题由于硬驱 动 而 得到 妥善 的解 决 ，使 得大 容 量 MVA 级的 GTO 晶闸管变流器的性能 提高到一个新的水平，从而扩展出许多 新的应用领域。两只 GTO 晶闸管串联的硬驱动电 路原理如图7-26所示。图中R 、R21 22为静态均压电阻，R、C及R、C11311232为开通及关断的瞬态均压阻容，由于采用硬驱动后开通时间及关断时间的分散性很小，使得它们的匹配较容

6、易。门极硬驱动回路中T、T及T、T为高频变压器，采用50kHz112 1122 2左右的方波给硬驱动电路提供电能，电容C、C及C、C为无感电容器，分别提供正11122122驱动及负驱动的门极电流。L、L及L、L分别为正驱动电路及负驱动电路的分布电1 112 21 22感，在硬驱动电路中布线时应尽量缩短线长，并避免互相交叉干扰，以保证门级脉冲前沿的电流上升率达到3kAM。 S、S及S 、S分别为正驱动电路及负驱动电路的光控开1 1 12 21 22关。 S 、 S 导通时提供正驱动脉冲，使 GTO 晶闸管串联臂开通； S 、 S 导通时提供1 1 12 21 22负驱动脉冲，使GTO晶闸管关断。

7、当IGBT器件直接串联时，影响其动态均压的因素也较多，如门槛电容、输入电容、密 勒电容及栅极电阻、栅极驱动电压的波形等。这些因素共同影响了串联IGBT开通及关断时 间的一致性，使得直接串联的 IGBT 的动态均压复杂化。而是用多电平逆变器技术代替了图7-27二极管钳位均压五电平逆变器电路结构（单桥臂）在高压逆变器中，为了获得良好的均压 效果及理想的输出波形，往往采用多电平逆 变电路，此时采用电源电压分压钳位法来保 证串联 IGBT 的均压。常用的五电平逆变器的 一相上下桥臂的电路如图7-27 所示，读者可 根据第 3 章有关多电平电路的介绍自行分析 其工作原理。由于采用了二极管对电源电压 的分

8、压嵌位，每只串联IGBT器件只承受电源 电压的 1/4，并获得较好的均压效果。当输出 电压一定时，逆变器的电平数越多，IGBT器 件承受的电压越低；或当不增加每个器件的 电压定额时，就可以构成更高输出电压的多 电平逆变器。电平数增多，输出电压中的谐 波也越少，因此，可以构成高压交流电动机变频调速的无谐波逆变器，目前该逆变器在实际中已得到广泛应用。2电力电子器件的并联电力电子器件并联要解决的首要问题是均流问题。器件直接并联时，由于受到并联支路阻抗差异、并联器件通态伏安特性的差异以及开通时间的差异等影响，会造成稳态及瞬 态电流分配的不均衡和开通过程中电流上升率的差异。如下的均流措施可以获得较好的均

9、流效果：(1) 在设计主电路结构时，应合理布置电力电子器件，尽量做到回路阻抗相一致。图 7-28 说明了几种器件的布置方法对均流的影响。Ba)A oB图7-28 母线配置对并联支路电流分配的影响图 7-29 所示的同相逆并联结构可 以获得交好的均流效果。图中，两根同 相但相位相反的导线或支路相互靠近 平行布置，它们的电流在一瞬间大小相 等、方向相反，所产生的磁场相互抵消， 显著减小了有害磁场的影响。为了获得 较大的输出电流，可以采用有较多二次 绕组的多相变压器。同相逆并联方式已 在电解铝等大电流整流装置中获得了 广泛应用。(a)不合理布置(b)较合理布置 (c)改进的布置 (2) GTO的并联

10、f将GTO的阳极和阴极都直接相连就可f j以得到较好的稳态及动态均流效果，这种直盘击21 接并联法简单方便，可以用价格较低的小电T T T T流GTO代替大电流GTO,有利于GTO的应用发展。图7-30所示为GTO直接并联时图7-29三相桥式整流电路的同相逆并联连接方式门极的三种接法。GTO2图7-30 GTO的直接并联及门极的接法(a)门极分别触发(b)采用电阻均流法耦合(c)门极直接耦合当三种接法提供的门极电流相等时，按图7-30(a)和(b)的接法，则阳极电流的差别很大, 而采用图7-30(c)所示接法时，能获得良好的稳态及瞬态均流效果。只要并联GTO的阴极连 线对称，阴极阻抗相等，就能

11、改善并联GTO由于通态伏安特性差异造成的不均流。当然应该选配通态伏安特性和开关时间基本一致的 GTO 进行并联，以获得更好的均流效果。 (3)MOSFET 的并联MOSFET 的频率特性好，驱动保护较容易，但单只器件的电流容量较小，为提高电流 定额常采用多只器件并联运行。在MOSFET进入稳定导通时，影响静态均流效果的主要因 素是它们的导通电阻R。因MOSFET的R具有正的温度系数，R随着该管结温的升高 o o o 而增大，使得流过电流较大的器件的电流会自动减小，抑制了并联器件的电流分配不均衡， 使得MOSFET的静态均流较容易实现，易于并联运行是MOSFET的一大优点。为了得到较好的静态均流

12、效果，应选择导通电阻R尽量一致的MOSFET构成并联回 o路，并将MOSFET安装于同一散热器上，使它们具有同一个基本结温。MOSFET并联支路 的配量是影响均流的一个重要因素，应注意保证各并联支路的阻抗基本相同。当并联器件 数量较多时，同样可将并联的MOSFET器件布置成一个圆周，引出线放在上下圆环的中心， 使各并联支路具有完全相同的路径。在并联器件较多时，门槛电压最低的器件将会在开通及关断过程中产生严重过流，甚至导致发热损坏，为此在并联运行状况下应尽量保证并联MOSFET 门槛电压的一致性。图7-31并联MOSFET的栅极耦合电路(a) 直接耦合 (b) 间接耦合并联 MOSFET 的栅极

13、耦合方式 对动态均流也有较大的影响。如图 7-31 所示，栅极耦合方式分为直接 耦合及间接耦合两种。由于间接耦合 时各自的栅极电阻R具有均衡栅极 g电流的作用，使得开通和关断时的动态均流都优于直接耦合方式。 R 的电阻值对动态均流也有一定的影响，当 R 较大时，栅 gg极输入电容的充放电时间延长，增加了开通和关断过程的分散性，不利于MOSFET的动态均流。为了提高开关过程的一致性，应选择较小的R电阻值并增加驱动电路的动态输出电 g流，以利于并联 MOSFET 的同时开通和关断。在 MOSFET 的并联数较多时，需要匹配的动静态参数较多，当这些参数难于完全匹配 时，可以采用电阻均流，此时可以在每

14、一只MOSFET的源极串联一只0.1Q左右的均流电 阻，并注意并联支路阻抗的一致性。(4)IGBT 的并联IGBT并联时，影响其静态均流的主要因素是饱和导通压降及并联支路主电路的配线方 式。在构成IGBT并联支路时，IGBT的饱和压降应根据器件所处的位置来决定，以补偿并 联支路位置不同造成的不均流。由于 IGBT 的饱和压降具有正的温度系数，使 IGBT 的并联 均流问题得到解决。影响IGBT动态均流的因素较多，主要有门槛电压UT、栅极电容C 、密勒电容CGC、T G E GC射极电感Le等，这些因素主要影响了 IGBT的开通和关断波形及开关时间，从而导致动态 E均流的情况发生变化。除以上因素

15、外，与IGBT的栅极电阻R及栅极驱动波形也有较大的g关系。一般说来，并联IGBT中开通时间较短的将遭受开通过程中的瞬态过电流，关断时间较 长的将遭受关断过程中的瞬态过电流。为了实现 IGBT 并联臂开通及关断过程中的瞬态均 流，就必须仔细匹配好影响开通时间及关断时间的各项参数，使并联臂中IGBT器件的开通 和关断时间基本保持一致。当工作频率较高时，开通及关断过程所占时间的比例增加，动 态均流的影响将大于静态均流，此时应更为严格地匹配影响动态均流的参数，才能获得较 好的均流效果。7.4.2 电力电子变流器的串并联 当单个机组的容量不能满足要求时，常常将多个变流器单元（机组）串联或并联，以 组成更大容量的装置。关于整流装置串、并联的相关技术，在本书第 2章2.2.3 节整流装置的多重化中作了 较详细的分析，在此不赘述，下面就逆变装置的串、并联技术作介绍。1逆变装置的串联逆变装置的串联通常有间接串联和直接串联两种形式。前者各台逆变装置采用变压器 耦合输出，变压器一次接各逆变装置的输出端，变压器的二次侧串联连接以获得高电压。一台间接串联方式的三重化GTO电压型逆变装置的主电路如图7-32所示。由于输出变 压器二次侧串联可以得到10kV的输出电压。此逆变装置的GTO采用方波触发，但三重化 的三台逆变装置的触发相位角分别为-20、 0、