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文檔簡介
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)使用和并聯(lián)使用
本章小結(jié)9.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)
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
返回上頁下頁9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述■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(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)?!鲵?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(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)。返回上頁下頁9.1.1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。
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
返回上頁下頁9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述■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(hào)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(shì)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。返回上頁下頁9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖9-2理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時(shí)間(<1s)t1~t3強(qiáng)脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值(3IGT~5IGT)t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值(1.5IGT~2IGT)
■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(duì)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(duì)感性和反電動(dòng)勢(shì)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(duì)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3~5倍,脈沖前沿的陡度也需增加,一般需達(dá)1~2A/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。
返回上頁下頁9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路圖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V2、V3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)V2、V3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V2、V3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)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)。
返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路OttOuGiG圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形■電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路
◆GTO和GTR是電流驅(qū)動(dòng)型器件?!鬐TO
?開通控制與普通晶閘管相似,但對(duì)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(duì)其幅值和陡度的要求更高。
?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。
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。返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖9-5典型的直接耦合式GTO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;缺點(diǎn)是功耗大,效率較低?!屉娐返碾娫从筛哳l電源經(jīng)二極管整流后提供,VD1和C1提供+5V電壓,VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓,VD4和C4提供-15V電壓?!蘓1開通時(shí),輸出正強(qiáng)脈沖;V2開通時(shí),輸出正脈沖平頂部分;
√V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖;V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓。
返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路tOib◆GTR
?開通的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(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。?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?!蘓D2和VD3構(gòu)成貝克箝位電路,是一種抗飽和電路,可使GTR導(dǎo)通時(shí)處于臨界飽和狀態(tài);√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9-6理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形圖9-7GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路
返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖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10~15V,使IGBT開通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取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(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。
◆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(hào)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(hào)時(shí)A輸出正電平,V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。
返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖9-9M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖
?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?!鬒GBT
?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)。返回上頁下頁
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電力電子器件的保護(hù)返回上頁下頁9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)■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?!衾讚暨^電壓:由雷擊引起的過電壓?!鰞?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。
返回上頁下頁9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)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。
返回上頁下頁9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)圖9-11RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用RC電路◆抑制外因過電壓,采用RC過電壓抑制電路。◆對(duì)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?!舨捎醚┍蓝O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。
返回上頁下頁9.2.2過電流保護(hù)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。
◆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。
返回上頁下頁9.2.2過電流保護(hù)◆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(jí)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。
√快熔的t值應(yīng)小于被保護(hù)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(shí)間電流特性。
?快熔對(duì)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?!魧?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)?!舫T谌匦推骷尿?qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié),器件對(duì)電流的響應(yīng)是最快的。返回上頁下頁9.2.3緩沖電路■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?!龇诸?/p>
◆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?!暨€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(chǔ)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(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源,也稱無損吸收電路。
◆通常將緩沖電路專指關(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。
返回上頁下頁9.2.3緩沖電路b)tuCEiCOdidt抑制電路時(shí)無didt抑制電路時(shí)有有緩沖電路時(shí)無緩沖電路時(shí)uCEiC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?!粼谟芯彌_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(tái)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。
返回上頁下頁9.2.3緩沖電路ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖9-15關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線圖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
◆關(guān)斷過程
?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。◆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。
返回上頁下頁9.3電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)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)返回上頁下頁9.3.1晶閘管的串聯(lián)圖9-17晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施■對(duì)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(hào)器件相串聯(lián)。
◆靜態(tài)不均壓問題
?由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓問題。?為達(dá)到靜態(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?!魟?dòng)態(tài)不均壓問題
?由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓問題。
?為達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓,同樣首先應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件,另外還可以用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓;對(duì)于晶閘管來講,采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間上的差異。
Rp的阻值應(yīng)比任何一個(gè)器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多返回上頁下頁9.3.2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(gè)器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流。
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