第9章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)19.1 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)29.1.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)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(shí)間，減小開關(guān)損耗。 對(duì)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)驅(qū)動(dòng)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(hào)。 對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)39.1.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電

2、路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電電氣隔離氣隔離環(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 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖9-1光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)49.1.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型和電電壓驅(qū)動(dòng)型壓驅(qū)動(dòng)型。驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路專用集成驅(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

3、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。分類分類電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)59.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路作用作用：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(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求要求：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)脈寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t

4、4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（2.5IGT2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)69.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 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。圖9-3 常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)79.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1) GTO GTO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9-4推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1

5、) 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓 GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)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。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)89.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 直接耦合式驅(qū)動(dòng)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9-5 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路+5V+10V-5V電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)99.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電

6、路 開通驅(qū)動(dòng)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(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)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9-6 理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形(2) GTR電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)109.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。圖9-7GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路驅(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。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3

7、V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2VD5貝克嵌位設(shè)V飽和壓降2V,各二極管壓降1V,基極1.4V,導(dǎo)通時(shí)V為壓降2.4V,避免過飽和.電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)119.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(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)電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V。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可以減小寄生振蕩。2) 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力電子技術(shù)電力

8、電子技術(shù)129.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1) 電力電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)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9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路專為驅(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(hào)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。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)139.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(2) IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)圖9-9M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M5

9、7959L）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(dòng)器。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)149.2 電力電子器件器件的保護(hù)電力電子器件器件的保護(hù)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)159.2.1 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：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

10、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(shí)，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)因過電壓過電壓電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)169.2.1 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

11、 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(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)179.2.2 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(dòng)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 同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。 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。圖9-11過電流保護(hù)措施及配置位置電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)189.2.2 過

12、電流保護(hù)過電流保護(hù)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(duì)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)，響應(yīng)最快 。 快熔對(duì)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)兩種電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)199.2.3 緩沖電路緩沖電路關(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。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(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損

13、耗。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。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饋能式緩沖電路路（無損吸收電路）。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。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)209.2.3 緩沖電路緩沖電路 緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析無緩沖電路：有緩沖電路：圖9-13di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路a) 電路ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO 圖

14、9-12關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線(開通時(shí)見黑色箭頭)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)219.3電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)229.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)問題問題：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。動(dòng)態(tài)不均壓：由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。目的目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)239.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián) 靜態(tài)均壓措施靜態(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

15、的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2圖9-16晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施 動(dòng)態(tài)均壓措施動(dòng)態(tài)均壓措施： 選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。 用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓。 采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間的差異。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)249.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)問題問題：會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。 均流措施均流措施：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(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流。當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。目的目的：

16、多個(gè)器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)259.3.3電力電力MOSFET和和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn) Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)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(yīng)盡量對(duì)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(yùn)行的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn) 在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負(fù)負(fù)溫度系數(shù)。 在以上的區(qū)段則具有正正溫度系數(shù)。 并聯(lián)使用時(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)。電力電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)26本章小結(jié)本章小結(jié)本章

17、要點(diǎn)本章要點(diǎn) 對(duì)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路的基本要求。對(duì)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路的基本要求。 在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)電力電子主電路和控制電路電氣隔離的在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)電力電子主電路和控制電路電氣隔離的基本方法和原理。基本方法和原理。 對(duì)晶閘管觸發(fā)電路的基本要求以及典型觸發(fā)電路的基本原對(duì)晶閘管觸發(fā)電路的基本要求以及典型觸發(fā)電路的基本原理。理。 對(duì)電力對(duì)電力MOSFET和和IGBT等全控型器件驅(qū)動(dòng)電路的基本要等全控型器件驅(qū)動(dòng)電路的基本要求以及典型驅(qū)動(dòng)電路的基本原理。求以及典型驅(qū)動(dòng)電路的基本原理。 電力電子器件過電壓的產(chǎn)生原因和過電壓保護(hù)的主要方法電力電子器件過電壓的產(chǎn)生原因和過電壓保護(hù)的主要方法及原理。及原理。

18、電力電子器件過電流保護(hù)的主要方法及原理。電力電子器件過電流保護(hù)的主要方法及原理。 電力電子器件緩沖電路的概念、分類、典型電路及基本原電力電子器件緩沖電路的概念、分類、典型電路及基本原理。理。 電力電子器件串聯(lián)和并聯(lián)使用的目的、基本要求以及具體電力電子器件串聯(lián)和并聯(lián)使用的目的、基本要求以及具體注意事項(xiàng)。注意事項(xiàng)。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)27本章小結(jié)本章小結(jié)l 掌握關(guān)鍵點(diǎn)掌握關(guān)鍵點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)裝置影響驅(qū)動(dòng)電路對(duì)裝置影響-縮短開關(guān)時(shí)間、減少損耗，提高縮短開關(guān)時(shí)間、減少損耗，提高裝置的運(yùn)行效率、安全性、可靠性裝置的運(yùn)行效率、安全性、可靠性 電氣隔離電氣隔離安全、抗干擾，有光隔離、磁隔離安全、抗干擾，有光隔離、磁隔離 SCR觸發(fā)電路的要求觸發(fā)電路的要求-觸發(fā)脈沖寬度、脈沖前沿幅度、觸發(fā)脈沖寬度、脈沖前沿幅度、電壓電流功率區(qū)域、有抗干擾性能和電氣隔離電壓電流功率區(qū)域、有抗干擾性能和電氣隔離 器件過電壓成因器件過電壓成因-外因，操作、雷擊過電壓；內(nèi)因，換外因，操作、雷擊過電壓；內(nèi)因，換相、關(guān)斷過電壓相、關(guān)斷過電壓 過壓保護(hù)過壓保護(hù)-避雷器、各種避雷器、各種RC、非線性元件、非線性元件 過流