第9章電力電子器件應(yīng)用的共性問題

1、第第9 9章章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題電力電子器件應(yīng)用的共性問題 9.1 9.1 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動 9.2 9.2 電力電子器件的保護電力電子器件的保護 9.3 9.3 電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用 本章小結(jié)本章小結(jié)2/269.1 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動 9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述 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)動電路 3/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路 是電力電子主電路與控制電路之間的接口。 良好的驅(qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)

2、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) 按控制目標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。4/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動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 當脈沖較寬

3、時，為避免鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制和解調(diào)的方法。 ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖圖9-1 光耦合器的類型及接法光耦合器的類型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高傳輸比型高傳輸比型 5/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路的分類 按照驅(qū)動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)動型和電壓驅(qū)動型兩類。 晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路。 驅(qū)動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。 為達到參數(shù)最

4、佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。9.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖圖9-2理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（脈沖前沿上升時間（1 s）t1t3強脈沖寬度強脈沖寬度t1t4脈沖寬度脈沖寬度觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求 寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導通，比如對感性和反電動勢負載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。 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12A/s。 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)。

5、 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。 作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶SCR在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通。 還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路。IM強脈沖幅值（強脈沖幅值（3IGT5IGT）I脈沖平頂幅值（脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT） 7/269.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路圖圖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 由V1V2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V1V2導通時，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。 VD1和R3是為了V1V2由導通變?yōu)榻刂?/p>

6、時脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。8/269.1.3 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OttOuGiG圖圖9-4 推薦的推薦的GTO門極電壓電流波形門極電壓電流波形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，且一般需在整個導通期間施加正門極電流，使GTO關(guān)斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高。 常用于大容量電路場合，驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。 幅值需達陽極電流的1/3左右，陡度需達50A/s，強負脈沖寬度約30s，負脈沖總寬約100s 施加約5V的負偏壓，以提高抗

7、干擾能力。電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 GTO和GTR是電流驅(qū)動型器件。9/269.1.3 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tOibGTR 開通的基極驅(qū)動電流應(yīng)使其處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。 關(guān)斷時，施加一定的負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）的負偏壓。圖圖9-6 理想的理想的GTR基極驅(qū)動電流波形基極驅(qū)動電流波形VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖圖9-7 GTR的一種驅(qū)動電路的一種驅(qū)動電路 10/269.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電

8、路典型全控型器件的驅(qū)動電路圖圖9-8 電力電力MOSFET的一種驅(qū)動電路的一種驅(qū)動電路電力MOSFET 包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；當無輸入信號時高速放大器A輸出負電平，V3導通輸出負驅(qū)動電壓，當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅(qū)動電壓。 電壓驅(qū)動型器件的驅(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)動電路具有較小的輸出電阻。 使電力MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取1015V，使IGBT開通的柵射極間驅(qū)動電壓一般取15 20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(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。 11/269.1.3

9、 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路圖圖9-9 M57962L型型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖驅(qū)動器的原理和接線圖 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。 IGBT 多采用專用的混合集成驅(qū)動器，常用的有三菱的M579系列（M57962L、M57959L）和富士的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850、EXB851）。12/269.2 電力電子器件的保護電力電子器件的保護 9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 9.2.2 過電流保護 9.

10、2.3 緩沖電路13/269.2.1 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，當器件關(guān)斷時，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。 14/269.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過

11、電壓的產(chǎn)生及過電壓保護圖圖9-10過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D變壓器靜電屏蔽層變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路電路RV壓敏電阻過電壓抑制器壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用閥器件換相過電壓抑制用RC電路電路RC4直流側(cè)直流側(cè)RC抑制電路抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路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

12、RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施。 9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護圖圖9-11 RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相單相b)三相三相圖圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用反向阻斷式過電壓抑制用RC電路電路抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路。對大容量的電力電子裝置，可采用反向阻斷式RC電路。采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。 16/269.2.2 過電流保護過電流保護圖圖9-13 過電流保護措施及配置位置過電流保護措施及配置位置過電流分過載和短路兩種情況。 過電流保護措施及其配置位置

13、 快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。 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。 17/269.2.2 過電流保護過電流保護快速熔斷器（簡稱快熔） ：最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。 選擇快熔時應(yīng)考慮 電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實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。 快熔的 t值應(yīng)小于被保護器件的允許 t值。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。

14、 快熔對器件的保護方式可分為全保護和短路保護兩種。 全保護：過載、短路均由快熔保護，適于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用。重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備或全控型器件，需采用電子電路進行保護。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，器件對電流的響應(yīng)是最快的。I2I29.2.3 緩沖電路緩沖電路緩沖電路：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。分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路關(guān)斷緩沖電路：又稱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di/d

15、t抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。復合緩沖電路：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 ：儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。饋能式緩沖電路 ：能將其儲能元件的能量回饋給負載或電源。9.2.3 緩沖電路緩沖電路b)tuCEiCOd idt抑制電路時無didt抑制電路時有有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖圖di/dt抑制電路和充放電型抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形緩沖電路及波形緩沖電路在無緩沖電路的情況下，di/dt很大，關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。在有緩沖電路的情況下 V開通時

16、，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因為Li的作用，iC的上升速度減慢。 V關(guān)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。 因為關(guān)斷時電路中電感的能量要釋放，所以還會出現(xiàn)一定的過電壓。 9.2.3 緩沖電路緩沖電路ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖圖9-15 關(guān)斷時的負載線關(guān)斷時的負載線關(guān)斷過程 無緩沖電路時，uCE迅速上升，負載線從A移動到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移動到C。 有緩沖電路時，由于Cs的分流使iC在uCE開始上升的同時就下降，因此負載線經(jīng)過D到達C。 負載線在到達B時很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負載

17、線ADC是很安全的，且損耗小。21/269.3 電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用使用 9.3.1 晶閘管的串聯(lián) 9.3.2 晶閘管的并聯(lián) 9.3.3 電力MOSFET的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)22/269.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)圖圖9-17 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施串聯(lián)均壓措施晶閘管的串聯(lián) 當晶閘管的額定電壓小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯(lián)。 靜態(tài)不均壓問題 器件靜態(tài)特性不同而造成。為了靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選用參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。 動態(tài)不均壓問題 器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成。為

18、了動態(tài)均壓，首先應(yīng)選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外還可用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓；對于晶閘管，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。 Rp的阻值應(yīng)比任何一個器件阻斷時的正、反向電阻小得多對大型電力電子裝置，當單個器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作23/269.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián) 大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流。 晶閘管并聯(lián)就會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而存在電流分配不均勻的問題。 均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器件，此外還可采用均流電抗器；同樣，用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。 24/269.3.3 電力電力MOSFET的并聯(lián)和的并聯(lián)和IGBT的的并聯(lián)并聯(lián)電力MOSFET的并聯(lián) Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡能力，容易并聯(lián)。 應(yīng)選用Ron、UT、Gfs和輸入電容Ciss盡量相近的器件并聯(lián)。 電路走線和布局應(yīng)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的并聯(lián) 在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負溫度系數(shù)；在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)；也具有一