第9章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題

9.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)9.2電力電子器件的保護(hù)9.3電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用,9.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)9.2電力電子器件的保護(hù)9.3電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用,9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口。良好的驅(qū)動(dòng)電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。,驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)按控制目標(biāo)的要求給器件施加開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號；對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。,驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。,光隔離一般采用光耦合器光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。有普通、高速和高傳輸比三種類型。,磁隔離的元件通常是脈沖變壓器當(dāng)脈沖較寬時(shí)，為避免鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制和解調(diào)的方法。,圖9-1光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型,驅(qū)動(dòng)電路的分類按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩類。晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路常稱為觸發(fā)電路。驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。,9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。,觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，比如對感性和反電動(dòng)勢負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12A/s。,觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。,圖9-2理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（1s）t1t3強(qiáng)脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）,圖9-3常見的晶閘管觸發(fā)電路,常見的晶閘管觸發(fā)電路由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它電路環(huán)節(jié)。,9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,GTO和GTR是電流驅(qū)動(dòng)型器件。GTO開通控制與普通晶閘管相似，但對觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流，使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對其幅值和陡度的要求更高。,圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形,幅值需達(dá)陽極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/s，強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約30s，負(fù)脈沖總寬約100s,施加約5V的負(fù)偏壓，以提高抗干擾能力。,電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路,GTO一般用于大容量電路的場合，其驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。,圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形,幅值需達(dá)陽極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/s，強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約30s，負(fù)脈沖總寬約100s,施加約5V的負(fù)偏壓，以提高抗干擾能力。,GTR對驅(qū)動(dòng)電路的基本要求,GTR對基極驅(qū)動(dòng)電路的基本要求是：,GTR開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流應(yīng)具有足夠的基極驅(qū)動(dòng)和快速的上升沿，并一開始有一定的過沖，以加速開通的過程，減小開通損耗。,2)GTR導(dǎo)通期間，驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流在任何負(fù)載情況下都能保證GTR處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使GTR的飽和壓降較低，以保證低導(dǎo)通損耗。為了減小存儲時(shí)間，能控制GTR在關(guān)斷前處于臨界飽和狀態(tài)，即準(zhǔn)飽和狀態(tài)。,3)關(guān)斷瞬時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動(dòng)，以迅速抽出基區(qū)的剩余載流子，減小存儲時(shí)間ts；并加反偏截止電壓，使集電極電流迅速下降以減小下降時(shí)間tf。而在功率管開通前功率管基射極間的反偏電壓應(yīng)為零或很小。,4)驅(qū)動(dòng)電路損耗要小，電路盡可能簡單可靠，便于集成。,5)驅(qū)動(dòng)電路中常采用光電耦合器或隔離變壓器來解決控制電路與主電路之間的電氣隔離。,理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形：,圖7.24比較理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形,為了加快開通時(shí)間，減小開通損耗，正向基極驅(qū)動(dòng)電流分為IB1和IB2兩部分。IB1為過驅(qū)動(dòng)電流，保證GTR快速開通，IB2是維持導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)電流，應(yīng)使GTR恰好維持準(zhǔn)飽和狀態(tài)。,關(guān)斷GTR時(shí)，反向驅(qū)動(dòng)電流IB3應(yīng)大一些，加速基區(qū)中載流子抽走速度，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。,GTR驅(qū)動(dòng)電路簡介,圖9-7為GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括三個(gè)部分：,光電耦合電氣隔離電路；晶體管放大電路；貝克箝位電路。,圖9-7GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路,貝克箝位電路,貝克箝位電路,貝克箝位電路,抗飽和的貝克鉗位電路使GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，提高了器件開關(guān)過程的快速性能。,基極驅(qū)動(dòng)電流信號由Q點(diǎn)分三路與GTR相連接。,二極管VD2與GTR的集電極相連，保證在正向驅(qū)動(dòng)狀態(tài)C點(diǎn)比Q點(diǎn)電位低一個(gè)二極管壓降的數(shù)值。,這樣GTR的集電極至多處于零偏置狀態(tài)而決不會(huì)出現(xiàn)正偏置狀態(tài)，即GTR不可能進(jìn)入深飽和區(qū)。,二極管VD2稱為鉗位二極管，它相當(dāng)于一個(gè)溢流閥的作用，使過量的輸入驅(qū)動(dòng)電流不會(huì)全部流入GTR的基極，而經(jīng)VD2分路至GTR的集電極一部分，從而保證GTR始終處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。,貝克箝位電路,這樣明顯地降低了存儲時(shí)間，提高了GTR的開關(guān)速度。,基極支路中串聯(lián)的二極管VD3用來調(diào)整GTR的基極電流數(shù)值，從而可以改變GTR的飽和程度。,與VD3反并聯(lián)的二極管VD4為反向抽走基區(qū)載流子提供了電流通路，從而加快了GTR的關(guān)斷過程。,圖9-7GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路,C2為加速開通過程的電容，開通時(shí)R5被C2短路，這樣可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。,驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。,圖9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路,電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路,電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。,為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。,使電力MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取1015V，使IGBT開通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取1520V。,關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。,在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。,圖9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路,電力MOSFET包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；當(dāng)無輸入信號時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平，V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)有輸入信號時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。,專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。,IGBT,多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器，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）。,圖9-9M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖,9.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)9.2電力電子器件的保護(hù)9.3電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用,9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)9.2.2過電流保護(hù)9.2.3緩沖電路,9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)9.2.2過電流保護(hù)9.2.3緩沖電路,過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。,外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：,操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓。,雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。,內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：,換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。,關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。,圖9-10過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路,過電壓抑制措施及配置位置各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施。,抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路。,圖9-11RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相,對大容量的電力電子裝置，可采用圖9-12所示的反向阻斷式RC電路。,圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用RC電路,采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管(BOD)等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。,9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)9.2.2過電流保護(hù)9.2.3緩沖電路,圖9-13過電流保護(hù)措施及配置位置,過電流分過載和短路兩種情況。,過電流保護(hù)措施及其配置位置,快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。,圖9-13過電流保護(hù)措施及配置位置,過電流保護(hù)措施及其配置位置,通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。,快速熔斷器（簡稱快熔）,是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。,選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮,電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定。電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊鄣腎2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。,快熔對器件的保護(hù)方式可分為全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。,對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。,常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，器件對電流的響應(yīng)是最快的。,9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)9.2.2過電流保護(hù)9.2.3緩沖電路,電力電子變流裝置緩沖電路的作用,電力電子器件在電路中大多工作于開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，電流在芯片中的不均勻分布，導(dǎo)致局部過流和過熱，容易使器件損壞。特別在關(guān)斷過程中，器件容易受到尖峰電壓的沖擊，此尖峰電壓一旦超過器件所能承受的電壓，器件就會(huì)被擊穿而損壞。,由于開關(guān)過程中器件要同時(shí)承受高電壓和大電流，所以器件承受很大的瞬時(shí)功率，尤其當(dāng)高頻運(yùn)行時(shí)，開關(guān)損耗所占的比例很大，導(dǎo)致器件結(jié)溫上升。若結(jié)溫過高，會(huì)使器件失效。過大的電壓、電流變化率會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通或局部過熱。,緩沖電路(吸收電路)就是針對以上這些問題而提出來的，是一種開關(guān)輔助電路。,緩沖電路（SnubberCircuit）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。,分類分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路,關(guān)斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。,開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。,復(fù)合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起。,還可分為耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路,耗能式緩沖電路：緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。,饋能式緩沖電路：緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，也稱無損吸收電路。,通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路區(qū)別叫做di/dt抑制電路。,圖9-14di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形,緩沖電路,圖9-14a給出的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖。,在無緩沖電路的情況下，di/dt很大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓，如圖9-14b。,在有緩沖電路的情況下,V開通時(shí)，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個(gè)臺階，以后因?yàn)長i的作用，iC的上升速度減慢。,V關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過電壓。,因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會(huì)出現(xiàn)一定的過電壓。,圖9-14di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形,關(guān)斷過程,圖9-15關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線,無緩沖電路時(shí)，uCE迅速上升，負(fù)載線從A移動(dòng)到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移動(dòng)到C。,有緩沖電路時(shí)，由于Cs的分流使iC在uCE開始上升的同時(shí)就下降，因此負(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C。,負(fù)載線在到達(dá)B時(shí)很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負(fù)載線ADC是很安全的，且損耗小。,圖9-16另外兩種常用的緩沖電路a)RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路,另外兩種常用的緩沖電路形式,RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件。,晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓問題，關(guān)斷時(shí)也沒有較大的du/dt，因此一般采用RC吸收電路即可。,9.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)9.2電力電子器件的保護(hù)9.3電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用,對較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個(gè)電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時(shí)，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。,晶閘管的串聯(lián),當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實(shí)際要求時(shí)，可以用兩個(gè)以上同型號器件相