電力電子器件器件的保護PPT課件

1、第1章第1頁1.7 1.7 電力電子器件器件的保電力電子器件器件的保護護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因 (1) 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起 (2) 雷擊過電壓：由雷擊引起內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程 (1) 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓 (2) 關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓 第

2、1頁/共64頁第1章第2頁過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓保護措施圖1-34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靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側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RC抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇S圖1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC 第2頁/共64頁第1章第3頁過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的

3、產(chǎn)生及過電壓保護 外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結方式見圖1-35RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側（供電網(wǎng)一側稱網(wǎng)側，電力電子電路一側稱閥側），或電力電子電路的直流側圖1-35RC過電壓抑制電路聯(lián)結方式a)單相b)三相 +-+-a)b)網(wǎng)側閥側直流側圖1 -35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa 第3頁/共64頁第1章第4頁過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路保護電路參數(shù)計算可參考相關工程手冊其他措施：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏

4、電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓電力電子裝置過電壓抑制電路圖1-36C1R1R2C2 第4頁/共64頁第1章第5頁過電流保護過電流保護過電流過載和短路兩種情況 常用措施（圖1-37）快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作圖1-37過電流保護措施及配置位置負載觸發(fā)電路開關電路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護電路快速熔斷器 變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器圖1

5、 -37 第5頁/共64頁第1章第6頁過電流保護過電流保護 快速熔斷器 電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施 選擇快熔時應考慮：(1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定(3)快熔的I 2t值應小于被保護器件的允許I 2t值 第6頁/共64頁第1章第7頁過電流保護過電流保護(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種 全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合 短路保護方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用對重要的且易發(fā)生短路的

6、晶閘管設備，或全控型器件（很難用快熔保護），需采用電子電路進行過電流保護常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)，響應最快 第7頁/共64頁第1章第8頁緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路（吸收電路）：抑制器件的內因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關損耗關斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗將關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起復合緩沖電路其他分類法：耗能式緩沖電路和饋能

7、式緩沖電路（無損吸收電路）通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路 第8頁/共64頁第1章第9頁緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路作用分析無緩沖電路：V 開 通 時 電 流 迅 速 上 升 ，di/dt很大關斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓有緩沖電路V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢V 關 斷 時 ： 負 載 電 流 通 過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓a)b)圖1-38RiVDLVdidt抑制電路緩沖電路LiVDiRsCsVDs

8、tuCEiCOdidt抑制電路無時didt抑制電路有時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a) 電路 b) 波形 第9頁/共64頁第1章第10頁緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）關斷時的負載曲線無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應電壓使VD通，負載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移到C有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負載線經(jīng)過D到達C負載線ADC安全，且經(jīng)過的都是小電流或小電壓區(qū)域，關斷損耗大大降低圖1-39關斷時的負載線ADCB無緩沖電路有緩沖電路

9、圖1-39uCEiCO 第10頁/共64頁第1章第11頁緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）充放電型RCD緩沖電路（圖1-38），適用于中等容量的場合圖1-40示出另兩種，其中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圖1-40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L緩沖電路L緩沖電路負載負載a)b)圖1-40EdRsCsEdRsCsVDs 第11頁/共64頁第1章第12頁緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路中的元件選取及其他注意事項

10、Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊VDs必須選用快恢復二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10盡量減小線路電感，且選用內部電感小的吸收電容中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側設一個du/dt抑制電路對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關斷過電壓，關斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可 第12頁/共64頁第1章第13頁1.8 1.8 電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用使用 晶閘管的串聯(lián) 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián) 電力電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并聯(lián)運行的特點并聯(lián)運行的特點第13頁/

11、共64頁第1章第14頁晶閘管的串聯(lián)目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等承受電壓高的器件首先達到轉折電壓而導通，使另一個器件承擔全部電壓也導通，失去控制作用反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿 1.8 1.8 電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用用第14頁/共64頁第1章第15頁晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)靜態(tài)均壓措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，Rp的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多圖1-

12、41晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施b)a)圖1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2 第15頁/共64頁第1章第16頁晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)動態(tài)均壓措施動態(tài)不均壓由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓動態(tài)均壓措施：選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間 上的差異 第16頁/共64頁第1章第17頁晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)目的：多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻均流措施挑選特性參數(shù)盡量一致的器件采用均流電抗器用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流當需

13、要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接 第17頁/共64頁第1章第18頁電力電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并聯(lián)運行的特點并聯(lián)運行的特點電力MOSFET并聯(lián)運行的特點Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，容易并聯(lián)注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)電路走線和布局應盡量對稱可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用IGBT并聯(lián)運行的特點在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負的溫度系數(shù)在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián) 第18頁/共64頁第1章第19頁本章小結本章小結主要內容 全面介紹各

14、種主要電力電子器件的基本結構、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等 集中討論電力電子器件的驅動、保護和串、并聯(lián)使用 電力電子器件類型歸納單極型：電力MOSFET和SITMCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基勢壘二極管SITHGTORCTTRIAC LTT晶閘管電力二極管雙極型單極型混合型復合型（圖1-42GTR 圖1-42電力電子器件分類“樹”第19頁/共64頁第1章第20頁本章小結本章小結雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH復合型：IGBT和MCT電壓驅動型：單極型器件和復合型器件，雙極型器件中的SITH 特點：輸入阻抗高，所需驅動功率小，驅動電路 簡單，工作頻率高電流

15、驅動型：雙極型器件中除SITH外 特點：具有電導調制效應，因而通態(tài)壓降低，導 通損耗小，但工作頻率較低，所需驅動功 率大,驅動電路較復雜 第20頁/共64頁第1章第21頁本章小結本章小結當前的格局:IGBT為主體，第四代產(chǎn)品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首選。不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競爭，試圖在兆瓦以上取代GTOGTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA光控晶閘管：功率更大場合，8kV/3.5kA，裝置最高達300MVA，容量最大電力MOSFET：長足進步，中小功率領域特別是低壓，地位牢固 第21頁/共64頁第1章第22頁圖圖1-1 1-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)

16、電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2 返回 第22頁/共64頁第1章第23頁圖圖1-2 1-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號符號AKAKa)IKAPNJb)c)外形結構 電氣圖形符號 返回 第23頁/共64頁第1章第24頁圖圖1-3 PN1-3 PN結的形成結的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內電場 返回 第24頁/共64頁第1章第25頁圖圖1-4 1-4 電力二極管的伏安特電力二極管的伏安特性性IOIFUTOUFU 返回 第25頁/共6

17、4頁第1章第26頁圖圖1-5 1-5 電力二極管的動態(tài)過程波電力二極管的動態(tài)過程波形形b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt正向偏置轉換為反向偏置 零偏置轉換為正向偏置 返回 第26頁/共64頁第1章第27頁圖圖1-6 1-6 晶閘管的外形、結構和電氣圖形晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號符號AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3外形 結構 電氣圖形符號 返回 第27頁/共64頁第1章第28頁圖圖1-7 1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理RNPNPNPAG

18、SKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)雙晶體管模型 工作原理 返回 第28頁/共64頁第1章第29頁圖圖1-8 1-8 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG2IG1IG 返回 第29頁/共64頁第1章第30頁圖圖1-9 1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 返回 第30頁/共64頁第1章第31頁圖圖1-10 1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號雙向晶閘管的

19、電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2電氣圖形符號 伏安特性 返回 第31頁/共64頁第1章第32頁圖圖1-11 1-11 逆導晶閘管的電氣圖形符號逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性b)a)UOIKGAIG=0電氣圖形符號 伏安特性 返回 第32頁/共64頁第1章第33頁圖圖1-12 1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性 光強度強弱b)AGKa)OUAKIA電氣圖形符號 伏安特性 返回 第33頁/共64頁第1章第34頁圖圖1-13 GTO1-13 GTO的內部結構和電氣圖形符的內部結構和電氣圖形符號號c)圖1-13A

20、GKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKc) 電氣圖形符號a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 返回 第34頁/共64頁第1章第35頁圖圖1-14 GTO1-14 GTO的開通和關斷過程電流波的開通和關斷過程電流波形形Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 返回 第35頁/共64頁第1章第36頁圖圖1-15 GTR1-15 GTR的結構、電氣圖形符號和的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動內部載流子的流動圖1-15a)基極 bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極 b 發(fā)射極 c集電極 cP+P+N+b)bec

21、空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib內部結構斷面示意圖 電氣圖形符號 內部載流子的流動 返回 第36頁/共64頁第1章第37頁圖圖1-16 1-16 共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTRGTR的輸出特的輸出特性性截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce 返回 第37頁/共64頁第1章第38頁圖圖1-17 GTR1-17 GTR的開通和關斷過程電流波的開通和關斷過程電流波形形圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 返回 第38頁/

22、共64頁第1章第39頁圖圖1-18 GTR1-18 GTR的安全工作區(qū)的安全工作區(qū)SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM 返回 第39頁/共64頁第1章第40頁圖圖1-19 1-19 電力電力MOSFETMOSFET的結構和電氣圖形的結構和電氣圖形符號符號N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN 溝道圖1-19內部結構斷面示意圖 電氣圖形符號 返回 第40頁/共64頁第1章第41頁圖圖1-20 1-20 電力電力MOSFETMOSFET的轉移特性和輸出特的轉移特性和輸出特性性01020305040圖1-202468a)10203050400b)102030504

23、0飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A轉移特性 輸出特性 返回 第41頁/共64頁第1章第42頁圖圖1-21 1-21 電力電力MOSFETMOSFET的開關過的開關過程程a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf測試電路 開關過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內阻， 返回 RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流 第42頁/共64頁第1章第43頁圖圖1-22 IGBT1-22 IGBT的結構、簡化

24、等效電路和的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號電氣圖形符號EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E 返回 內部結構斷面示意圖簡化等效電路電氣圖形符號第43頁/共64頁第1章第44頁圖圖1-23 IGBT1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性的轉移特性和輸出特性O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 轉移特性 輸出特性 返回 第44頁/共64頁第1章第45頁圖圖1-24 IGBT1-24 IGBT的開關過程的開關過

25、程 ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 返回 第45頁/共64頁第1章第46頁圖圖1-25 1-25 光耦合器的類型及接光耦合器的類型及接法法ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1普通型 高速型 高傳輸比型 返回 第46頁/共64頁第1章第47頁圖圖1-261-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形形ItIMt1t2t3t4t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈沖寬度IM強脈沖幅值（3IG

26、T5IGT） t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT） 返回 第47頁/共64頁第1章第48頁圖圖1-27 1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電常見的晶閘管觸發(fā)電路路 TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2 返回 第48頁/共64頁第1章第49頁圖圖1-281-28推薦的推薦的GTOGTO門極電壓電流波形門極電壓電流波形 返回 OttOuGiG第49頁/共64頁第1章第50頁圖圖1-291-29典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驅動電驅動電路路 50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4 返回 第

27、50頁/共64頁第1章第51頁圖圖1-301-30理想的理想的GTRGTR基極驅動電流波形基極驅動電流波形 tOib 返回 第51頁/共64頁第1章第52頁圖圖1-311-31GTRGTR的一種驅動電路的一種驅動電路VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2 返回 第52頁/共64頁第1章第53頁圖圖1-321-32電力電力MOSFETMOSFET的一種驅動電路的一種驅動電路 A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC 返回 第53頁/共64頁第1章第54頁圖圖1-331-33M579

28、62LM57962L型型IGBTIGBT驅動器的原理和接驅動器的原理和接線圖線圖 13故障指示檢測端VCC接口電路門極關斷電路定時及復位電路檢測電路415861413uoVEE81546-10 V+ 15 V30 V+5 VM 57962L14ui1快恢復trr0.2 s4.7k 3.1 100 F100 F 返回 第54頁/共64頁第1章第55頁圖圖1-341-34過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置S圖1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDCF避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側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RC