电力电子技术原理第9章电力电子器件有效应用共性问题

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1、电力电子技术原理第9章电力电子器件有效应用共性问题2/269.1 电力力电子器件的子器件的驱动 9.1.1 电力力电子器件子器件驱动电路概述路概述 9.1.2 晶晶闸管的触管的触发电路路 9.1.3 典型全控型器件的典型全控型器件的驱动电路路 3/269.1.1 电力力电子器件子器件驱动电路概述路概述驱动电路路 是是电力力电子主子主电路与控制路与控制电路之路之间的接口。的接口。 良好的良好的驱动电路使路使电力力电子器件工作在子器件工作在较理想的开关理想的开关状状态，缩短开关短开关时间，减小开关，减小开关损耗。耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意装置的运行效率、可靠性和安全性都有重

2、要的意义。 一些保一些保护措施也往往措施也往往设在在驱动电路中，或通路中，或通过驱动电路路实现。驱动电路的基本任路的基本任务 按控制目按控制目标的要求的要求给器件施加开通或关断的信号。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；半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件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。既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。4/269.1.1 电力力电子器件子器件驱动电路概述路概述驱动电路路还要提供控制要提供控制电路与主路与主电路之路之间的的电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离，一般采用光隔离或磁隔离。或磁隔离。 光隔离一般采用光耦

3、合器光隔离一般采用光耦合器 光耦合器由光耦合器由发光二极管和光敏晶体管光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。成，封装在一个外壳内。 有普通、高速和高有普通、高速和高传输比三种比三种类型。型。 磁隔离的元件通常是脉冲磁隔离的元件通常是脉冲变压器器 当脉冲当脉冲较宽时，为避免避免铁心心饱和，常采用高和，常采用高频调制和解制和解调的方法。的方法。 ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图9-1 光耦合器的光耦合器的类型及接法型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高高传输比型比型 5/269.1.1 电力力电子器件子器件驱动电路概述路概述驱动电路的分路的分类

4、按照按照驱动电路加在路加在电力力电子器件控制端和公共端之子器件控制端和公共端之间信号的性信号的性质，可以将，可以将电力力电子器件分子器件分为电流流驱动型和型和电压驱动型两型两类。 晶晶闸管的管的驱动电路常称路常称为触触发电路。路。 驱动电路具体形式可路具体形式可为分立元件的，但目前的分立元件的，但目前的趋势是采是采用用专用集成用集成驱动电路。路。 双列直插式集成双列直插式集成电路及将光耦隔离路及将光耦隔离电路也集成在内的路也集成在内的混合集成混合集成电路。路。 为达到参数最佳配合，首达到参数最佳配合，首选所用器件生所用器件生产厂家厂家专门开开发的集成的集成驱动电路。路。6/269.1.2 晶晶

5、闸管的触管的触发电路路IIMt1t2t3t4图9-2理想的晶理想的晶闸管触管触发脉冲脉冲电流波形流波形t1t2脉冲前沿上升脉冲前沿上升时间（1 s）t1t3强脉冲脉冲宽度度IM强脉冲幅脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲脉冲宽度度I脉冲平脉冲平顶幅幅值（1.5IGT2IGT） 晶晶闸管的触管的触发电路路 作用：作用：产生符合要求的生符合要求的门极触极触发脉冲，保脉冲，保证晶晶闸管在需要的管在需要的时刻由阻断刻由阻断转为导通。通。 晶晶闸管触管触发电路往往路往往还包括包括对其触其触发时刻刻进行控制的相位控制行控制的相位控制电路。路。 触触发电路路应满足下列要求足下列要求 触触发脉冲的脉冲的宽

6、度度应保保证晶晶闸管可靠管可靠导通，通，比如比如对感性和反感性和反电动势负载的的变流器流器应采采用用宽脉冲或脉冲列触脉冲或脉冲列触发。 触触发脉冲脉冲应有足有足够的幅度，的幅度，对户外寒冷外寒冷场合，脉冲合，脉冲电流的幅度流的幅度应增大增大为器件最大器件最大触触发电流的流的35倍，脉冲前沿的陡度也需倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达增加，一般需达12A/ s。 触触发脉冲脉冲应不超不超过晶晶闸管管门极的极的电压、电流和功率定流和功率定额，且在，且在门极伏安特性的可极伏安特性的可靠触靠触发区域之内。区域之内。 应有良好的抗干有良好的抗干扰性能、温度性能、温度稳定性及定性及与主与主电路的路的电气

7、隔离。气隔离。 7/269.1.2 晶晶闸管的触管的触发电路路图9-3 常常见的晶的晶闸管触管触发电路路常常见的晶的晶闸管触管触发电路路 由由V1、V2构成的脉冲放大构成的脉冲放大环节和脉冲和脉冲变压器器TM和附属和附属电路构路构成的脉冲成的脉冲输出出环节两部分两部分组成。成。 当当V1、V2导通通时，通，通过脉冲脉冲变压器向晶器向晶闸管的管的门极和阴极之极和阴极之间输出触出触发脉冲。脉冲。 VD1和和R3是是为了了V1、V2由由导通通变为截止截止时脉冲脉冲变压器器TM释放放其其储存的能量而存的能量而设的。的。 为了了获得触得触发脉冲波形中的脉冲波形中的强脉冲部分，脉冲部分，还需适当附加其它需

8、适当附加其它电路路环节。 8/269.1.3 典型全控型器件的典型全控型器件的驱动电路路OttOuGiG图9-4 推荐的推荐的GTO门极极电压电流波形流波形电流流驱动型器件的型器件的驱动电路路 GTO和和GTR是是电流流驱动型器型器件。件。 GTO 开通控制与普通晶开通控制与普通晶闸管相管相似，但似，但对触触发脉冲前沿的幅脉冲前沿的幅值和和陡度要求高，且一般需在整个陡度要求高，且一般需在整个导通期通期间施加正施加正门极极电流，使流，使GTO关断需施加关断需施加负门极极电流，流，对其幅其幅值和陡度的要求更高。和陡度的要求更高。 GTO一般用于大容量一般用于大容量电路路的的场合，其合，其驱动电路通

9、常包括开路通常包括开通通驱动电路、关断路、关断驱动电路和路和门极反偏极反偏电路三部分，可分路三部分，可分为脉冲脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种器耦合式和直接耦合式两种类型。型。 幅幅值需达阳极需达阳极电流流的的1/3左右，陡度需左右，陡度需达达50A/ s，强负脉脉冲冲宽度度约30 s，负脉冲脉冲总宽约100 s 施加施加约5V的的负偏偏压，以提高抗干，以提高抗干扰能力。能力。9/269.1.3 典型全控型器件的典型全控型器件的驱动电路路图9-5 典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驱动电路路 直接耦合式直接耦合式驱动电路路 可避免可避免电路内部的相互干路内部的相互干扰和寄生振和寄生振荡，可

10、得到，可得到较陡的脉陡的脉冲前沿；缺点是功耗大，效率冲前沿；缺点是功耗大，效率较低。低。 电路的路的电源由高源由高频电源源经二二极管整流后提供，极管整流后提供，VD1和和C1提供提供+5V电压，VD2、VD3、C2、C3构成倍构成倍压整流整流电路提供路提供+15V电压，VD4和和C4提供提供-15V电压。 V1开通开通时，输出正出正强脉冲；脉冲；V2开通开通时，输出正脉冲平出正脉冲平顶部部分；分； V2关断而关断而V3开通开通时输出出负脉脉冲；冲；V3关断后关断后R3和和R4提供提供门极极负偏偏压。 10/269.1.3 典型全控型器件的典型全控型器件的驱动电路路tOibGTR 开通的基极开通

11、的基极驱动电流流应使其使其处于准于准饱和和导通状通状态，使之不，使之不进入放大区和深入放大区和深饱和区。和区。 关断关断时，施加一定的，施加一定的负基极基极电流有利于减流有利于减小关断小关断时间和关断和关断损耗，关断后同耗，关断后同样应在基射在基射极之极之间施加一定幅施加一定幅值（6V左右）的左右）的负偏偏压。 GTR的一种的一种驱动电路路 包括包括电气隔离和晶体管放大气隔离和晶体管放大电路两部分。路两部分。 VD2和和VD3构成构成贝克箝位克箝位电路，是一种抗路，是一种抗饱和和电路，可使路，可使GTR导通通时处于于临界界饱和状和状态； C2为加速开通加速开通过程的程的电容，开通容，开通时R5

12、被被C2短路，短路，这样可以可以实现驱动电流的流的过冲，并增加冲，并增加前沿的陡度，加快开通。前沿的陡度，加快开通。 驱动GTR的集成的集成驱动电路中，路中，THOMSON公公司的司的UAA4002和三菱公司的和三菱公司的M57215BL较为常常见。图9-6 理想的理想的GTR基极基极驱动电流波形流波形图9-7 GTR的一种的一种驱动电路路 11/269.1.3 典型全控型器件的典型全控型器件的驱动电路路图9-8 电力力MOSFET的一种的一种驱动电路路电压驱动型器件的型器件的驱动电路路 电力力MOSFET和和IGBT是是电压驱动型器件。型器件。 为快速建立快速建立驱动电压，要求，要求驱动电路

13、具有路具有较小的小的输出出电阻。阻。 使使电力力MOSFET开通的开通的栅源极源极间驱动电压一般取一般取1015V，使，使IGBT开通的开通的栅射极射极间驱动电压一般取一般取15 20V。 关断关断时施加一定幅施加一定幅值的的负驱动电压（一般（一般取取 -5 -15V）有利于减小关断）有利于减小关断时间和关断和关断损耗耗。 在在栅极串入一只低极串入一只低值电阻（数十欧左右）阻（数十欧左右）可以减小寄生振可以减小寄生振荡，该电阻阻阻阻值应随被随被驱动器器件件电流流额定定值的增大而减小。的增大而减小。 电力力MOSFET 包括包括电气隔离和晶体管放大气隔离和晶体管放大电路两部分；路两部分；当无当无

14、输入信号入信号时高速放大器高速放大器A输出出负电平，平，V3导通通输出出负驱动电压，当有，当有输入信号入信号时A输出出正正电平，平，V2导通通输出正出正驱动电压。 12/269.1.3 典型全控型器件的典型全控型器件的驱动电路路图9-9 M57962L型型IGBT驱动器的原理和接器的原理和接线图 专为驱动电力力MOSFET而而设计的混合集成的混合集成电路有三菱公司的路有三菱公司的M57918L，其其输入信号入信号电流幅流幅值为16mA，输出最大脉冲出最大脉冲电流流为+2A和和-3A，输出出驱动电压+15V和和-10V。 IGBT 多采用多采用专用的混合集成用的混合集成驱动器，常用的有三菱公司的

15、器，常用的有三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。13/269.2 电力力电子器件的保子器件的保护 9.2.1 过电压的的产生及生及过电压保保护 9.2.2 过电流保流保护 9.2.3 缓冲冲电路路14/269.2.1 过电压的的产生及生及过电压保保护过电压分分为外因外因过电压和内因和内因过电压两两类。 外因外因过电压主要来自雷主要来自雷击和系和系统中的操作中的操作过程等外部原程等外部原 因，包括因，包括 操作操作过电压：由分：由分闸、合、合闸等开关操作

16、引起的等开关操作引起的过电压。 雷雷击过电压：由雷：由雷击引起的引起的过电压。内因内因过电压主要来自主要来自电力力电子装置内部器件的开关子装置内部器件的开关过 程，包括程，包括 换相相过电压：晶：晶闸管或与全控型器件反并管或与全控型器件反并联的二极管的二极管在在换相相结束后，反向束后，反向电流急流急剧减小，会由减小，会由线路路电感在感在器件两端感器件两端感应出出过电压。 关断关断过电压：全控型器件在：全控型器件在较高高频率下工作，当器件率下工作，当器件关断关断时，因正向，因正向电流的迅速降低而由流的迅速降低而由线路路电感在器件感在器件两端感两端感应出的出的过电压。 15/269.2.1 过电压

17、的的产生及生及过电压保保护图9-10过电压抑制措施及配置位置抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D变压器静器静电屏蔽屏蔽层C静静电感感应过电压抑制抑制电容容RC1阀侧浪涌浪涌过电压抑制用抑制用RC电路路RC2阀侧浪涌浪涌过电压抑制用反向阻断式抑制用反向阻断式RC电路路RV压敏敏电阻阻过电压抑制器抑制器RC3阀器件器件换相相过电压抑制用抑制用RC电路路RC4直流直流侧RC抑制抑制电路路RCD阀器件关断器件关断过电压抑制用抑制用RCD电路路过电压抑制措施及配置位置抑制措施及配置位置 各各电力力电子装置可子装置可视具体情况只采用其中的几种。具体情况只采用其中的几种。 RC3和和RCD为抑制内因抑制内因过

18、电压的措施。的措施。 16/269.2.1 过电压的的产生及生及过电压保保护图9-11 RC过电压抑制抑制电路路联结方式方式a)单相相b)三相三相图9-12反向阻断式反向阻断式过电压抑制用抑制用RC电路路抑制外因抑制外因过电压来采用来采用RC过电压抑制抑制电路。路。对大容量的大容量的电力力电子装置，可采用子装置，可采用图9-12所示的反向阻断式所示的反向阻断式RC电路。路。采用雪崩二极管、金属氧化物采用雪崩二极管、金属氧化物压敏敏电阻、硒堆和阻、硒堆和转折二极管（折二极管（BOD）等非）等非线性元器件来限制或吸收性元器件来限制或吸收过电压也是也是较常用的措施。常用的措施。 17/269.2.2

19、 过电流保流保护图9-13 过电流保流保护措施及配置位置措施及配置位置过电流分流分过载和短路两种情况。和短路两种情况。 过电流保流保护措施及其配置位置措施及其配置位置 快速熔断器、直流快速断路器和快速熔断器、直流快速断路器和过电流流继电器是器是较为常用的措施，一般常用的措施，一般电力力电子装置均同子装置均同时采用几种采用几种过电流保流保护措施，以提高保措施，以提高保护的可靠性和合理的可靠性和合理性。性。 通常，通常，电子子电路作路作为第一保第一保护措施，快熔措施，快熔仅作作为短路短路时的部分区段的保的部分区段的保护，直流快速断路器整定在，直流快速断路器整定在电子子电路路动作之后作之后实现保保护

20、，过电流流继电器整定器整定在在过载时动作。作。 18/269.2.2 过电流保流保护快速熔断器（快速熔断器（简称快熔）称快熔） 是是电力力电子装置中最有效、子装置中最有效、应用最广的一种用最广的一种过电流保流保护措施。措施。 选择快熔快熔时应考考虑 电压等等级应根据熔断后快熔根据熔断后快熔实际承受的承受的电压来确定。来确定。 电流容量流容量应按其在主按其在主电路中的接入方式和主路中的接入方式和主电路路联结形式确定。形式确定。 快熔的快熔的 t值应小于被保小于被保护器件的允器件的允许 t值。 为保保证熔体在正常熔体在正常过载情况下不熔化，情况下不熔化，应考考虑其其时间 电流特性。流特性。 快熔快

21、熔对器件的保器件的保护方式可分方式可分为全保全保护和短路保和短路保护两种。两种。 全保全保护：过载、短路均由快熔、短路均由快熔进行保行保护，适用于小功率装置或器件裕度，适用于小功率装置或器件裕度较大的大的场合。合。 短路保短路保护：快熔只在短路：快熔只在短路电流流较大的区域起保大的区域起保护作用。作用。对重要的且易重要的且易发生短路的晶生短路的晶闸管管设备，或全控型器件，需采用，或全控型器件，需采用电子子电路路进行行过电流保流保护。常在全控型器件的常在全控型器件的驱动电路中路中设置置过电流保流保护环节，器件，器件对电流的流的响响应是最快的。是最快的。19/269.2.3 缓冲冲电路路缓冲冲电路

22、（路（Snubber Circuit）又称）又称为吸收吸收电路，其作用是抑制路，其作用是抑制电力力电子器件的内因子器件的内因过电压、du/dt或者或者过电流和流和di/dt，减小器件的开关，减小器件的开关损耗。耗。分分类 分分为关断关断缓冲冲电路和开通路和开通缓冲冲电路路 关断关断缓冲冲电路：又称路：又称为du/dt抑制抑制电路，用于吸收器件的关断路，用于吸收器件的关断过电压和和换相相过电压，抑制，抑制du/dt，减小关断，减小关断损耗。耗。 开通开通缓冲冲电路：又称路：又称为di/dt抑制抑制电路，用于抑制器件开通路，用于抑制器件开通时的的电流流过冲和冲和di/dt，减小器件的开通，减小器件

23、的开通损耗。耗。 复合复合缓冲冲电路：关断路：关断缓冲冲电路和开通路和开通缓冲冲电路路结合在一起。合在一起。 还可分可分为耗能式耗能式缓冲冲电路和路和馈能式能式缓冲冲电路路 耗能式耗能式缓冲冲电路路 ：缓冲冲电路中路中储能元件的能量消耗在其吸收能元件的能量消耗在其吸收电阻上。阻上。 馈能式能式缓冲冲电路路 ：缓冲冲电路能将其路能将其储能元件的能量回能元件的能量回馈给负载或或电源，也称无源，也称无损吸收吸收电路。路。 通常将通常将缓冲冲电路路专指关断指关断缓冲冲电路，而将开通路，而将开通缓冲冲电路区路区别叫做叫做di/dt抑制抑制电路。路。 20/269.2.3 缓冲冲电路路b)tuCEiCOd

24、 idt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC图9-14di/dt抑制抑制电路和充放路和充放电型型RCD缓冲冲电路及波形路及波形a) 电路路 b) 波形波形缓冲冲电路路 图9-14a给出的是一种出的是一种缓冲冲电路和路和di/dt抑制抑制电路的路的电路路图。 在无在无缓冲冲电路的情况下，路的情况下，di/dt很大，关断很大，关断时du/dt很大，很大，并出并出现很高的很高的过电压，如，如图9-14b。 在有在有缓冲冲电路的情况下路的情况下 V开通开通时，Cs先通先通过Rs向向V放放电，使，使iC先上一个台先上一个台阶，以，以后因后因为Li的作用，的作用，iC的上升速

25、度的上升速度减慢。减慢。 V关断关断时，负载电流通流通过VDs向向Cs分流，减分流，减轻了了V的的负担，担，抑制了抑制了du/dt和和过电压。 因因为关断关断时电路中（含路中（含布布线）电感的能量要感的能量要释放，所放，所以以还会出会出现一定的一定的过电压。 21/269.2.3 缓冲冲电路路ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO图9-15 关断关断时的的负载线图9-16 另外两种常用的另外两种常用的缓冲冲电路路a)RC吸收吸收电路路b)放放电阻止型阻止型RCD吸收吸收电路路 关断关断过程程 无无缓冲冲电路路时，uCE迅速上升，迅速上升，负载线从从A移移动到到B，之后，之后iC才下降到漏才下

26、降到漏电流的大小，流的大小，负载线随之移随之移动到到C。 有有缓冲冲电路路时，由于，由于Cs的分流使的分流使iC在在uCE开始上升的同开始上升的同时就下降，因此就下降，因此负载线经过D到达到达C。 负载线在到达在到达B时很可能超出安全很可能超出安全区，使区，使V受到受到损坏，而坏，而负载线ADC是很是很安全的，且安全的，且损耗小。耗小。另外两种常用的另外两种常用的缓冲冲电路形式路形式 RC缓冲冲电路主要用于小容量器件，路主要用于小容量器件，而放而放电阻止型阻止型RCD缓冲冲电路用于中或大路用于中或大容量器件。容量器件。 晶晶闸管在管在实际应用中一般只承受用中一般只承受换相相过电压，没有关断，没

27、有关断过电压问题，关断，关断时也没有也没有较大的大的du/dt，因此一般采用，因此一般采用RC吸收吸收电路即可。路即可。 22/269.3 电力力电子器件的串子器件的串联使用和并使用和并联使用使用 9.3.1 晶晶闸管的串管的串联 9.3.2 晶晶闸管的并管的并联 9.3.3 电力力MOSFET的并的并联和和IGBT的并的并联23/269.3.1 晶晶闸管的串管的串联图9-17 晶晶闸管的串管的串联a)伏安特性差异伏安特性差异b)串串联均均压措施措施对较大型的大型的电力力电子装置，当子装置，当单个个电力力电子器件子器件的的电压或或电流定流定额不能不能满足要求足要求时，往往需要将，往往需要将电力

28、力电子器件串子器件串联或并或并联起来工作，或者将起来工作，或者将电力力电子装置串子装置串联或并或并联起来工作。起来工作。 晶晶闸管的串管的串联 当晶当晶闸管的管的额定定电压小于小于实际要求要求时，可以，可以用两个以上同型号器件相串用两个以上同型号器件相串联。 静静态不均不均压问题 由于器件静由于器件静态特性不同而造成的均特性不同而造成的均压问题。 为达到静达到静态均均压，首先，首先应选用参数和特性用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用尽量一致的器件，此外可以采用电阻均阻均压。 动态不均不均压问题 由于器件由于器件动态参数和特性的差异造成的不参数和特性的差异造成的不均均压问题。 为达到达到动态

29、均均压，同，同样首先首先应选择动态参参数和特性尽量一致的器件，另外数和特性尽量一致的器件，另外还可以用可以用RC并并联支路作支路作动态均均压；对于晶于晶闸管来管来讲，采用，采用门极极强脉冲触脉冲触发可以可以显著减小器件开通著减小器件开通时间上的差异。上的差异。 Rp的阻的阻值应比任比任何一个器件阻断何一个器件阻断时的正、反向的正、反向电阻小得多阻小得多24/269.3.3 电力力MOSFET的并的并联和和IGBT的并的并联电力力MOSFET的并的并联 Ron具有正温度系数，具有具有正温度系数，具有电流自流自动均衡能力，容易并均衡能力，容易并联。 应选用用Ron、UT、Gfs和和输入入电容容Ci

30、ss尽量相近的器件并尽量相近的器件并联。 电路走路走线和布局和布局应尽量尽量对称。称。 可在源极可在源极电路中串入小路中串入小电感感,起到均流起到均流电抗器的作用。抗器的作用。IGBT的并的并联 在在1/2或或1/3额定定电流以下的区段，通流以下的区段，通态压降具有降具有负温度温度系数；在以上的区段系数；在以上的区段则具有正温度系数；也具有一定的具有正温度系数；也具有一定的电流自流自动均衡能力，易于并均衡能力，易于并联使用。使用。 在器件参数和特性在器件参数和特性选择、电路布局和走路布局和走线、散、散热条件等条件等方面也方面也应尽量一致。尽量一致。 25/26本章小本章小结本章要点本章要点 对

31、电力力电子器件子器件驱动电路的基本要求。路的基本要求。 在在驱动电路中路中实现电力力电子主子主电路和控制路和控制电路路电气隔离的基本方气隔离的基本方 法和原理。法和原理。 对晶晶闸管触管触发电路的基本要求以及典型触路的基本要求以及典型触发电路的基本原理。路的基本原理。 对电力力MOSFET和和IGBT等全控型器件等全控型器件驱动电路的基本要求以及典路的基本要求以及典 型型驱动电路的基本原理。路的基本原理。 电力力电子器件子器件过电压的的产生原因和生原因和过电压保保护的主要方法及原理。的主要方法及原理。 电力力电子器件子器件过电流保流保护的主要方法及原理。的主要方法及原理。 电力力电子器件子器件缓冲冲电路的概念、分路的概念、分类、典型、典型电路及基本原理。路及基本原理。 电力力电子器件串子器件串联和并和并联使用的目的、基本要求以及具体注意事使用的目的、基本要求以及具体注意事 项。