電力電子器件驅(qū)動及保護(hù)

1、第四講一、電力電子器件的驅(qū)動一、電力電子器件的驅(qū)動二、電力電子器件的保護(hù)二、電力電子器件的保護(hù)一、一、 電力電子器件器件的驅(qū)動電力電子器件器件的驅(qū)動1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述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)時間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運行效率、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)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)驅(qū)動電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(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)動電路驅(qū)動電路主電路與控制電路之間的接口1 電力電子器件驅(qū)動電

2、路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述 驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔電氣隔離離環(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 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖1-25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述v按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)電壓驅(qū)動型動型。v驅(qū)動電路具體形式可為分立元件分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路專用集成驅(qū)動電路。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

3、合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。分類分類2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路v作用作用：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刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。v晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求求：脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。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。tIIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）晶閘管的觸

4、發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路vV3、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。v脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。v V1、V2導(dǎo)通時，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。圖1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路(1) GTOGTO的開通控制開通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓 GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路開通驅(qū)

5、動電路、關(guān)斷驅(qū)關(guān)斷驅(qū)動電路動電路和門極反偏電路門極反偏電路三部分，可分為脈沖變脈沖變壓器耦合式壓器耦合式和直接耦合直接耦合式式兩種類型。3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。圖1-29 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路開通驅(qū)動電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。tOib 圖1

6、-30 理想的GTR基極驅(qū)動電流波形(2) GTR3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路GTR的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖1-31GTR的一種驅(qū)動電路驅(qū)動GTR的集成驅(qū)動電路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動

7、電壓一般15 20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。2) 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路(1) 電力電力MOSFET的一種驅(qū)動電路：電氣隔離電氣隔離和晶體管放大電路晶體管放大電路兩部分圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動電路專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計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)動電壓+15V和-10V。 3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件

8、的驅(qū)動電路(2) IGBT的驅(qū)動的驅(qū)動圖1-33M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖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）。 多采用專用的混合集成驅(qū)動器。二、二、 電力電子器件器件的保護(hù)電力電子器件器件的保護(hù)1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)外因過電壓：外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因操作過電壓操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起雷擊過電壓雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓：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)過程換相過電壓換相過電壓：

9、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，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。關(guān)斷過電壓關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓外因過電壓和內(nèi)因內(nèi)因過電壓過電壓1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓保護(hù)措施過電壓保護(hù)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(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)

10、RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路v 電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。v 其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。2 過電流保護(hù)過電流保護(hù)過電流過載過載和短路短路兩種情況保護(hù)措施負(fù)載觸發(fā)電路開關(guān)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(hù)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v 同時采用幾種過電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。v 電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時的部分 區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。圖1-37過電流保護(hù)措施及配置位置2 過電流保護(hù)過電流

11、保護(hù)v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。v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)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 。 快熔對器件的保護(hù)方式：全保護(hù)全保護(hù)和短路保護(hù)短路保護(hù)兩種3 緩沖電路緩沖電路v關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）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。v開通緩沖電路開通緩沖電路（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。v復(fù)合緩沖電路復(fù)合緩沖電路關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合。v按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路饋能式緩沖電路（無損吸收電路）。v通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。緩沖電路緩沖電路(Snubber Circuit) ： 又稱吸收電路吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。b)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uCEiC3 緩沖電路緩沖電路緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析v無緩沖電路：v有緩沖電路：圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形