電力電子課件第二章 驅(qū)動(dòng)保護(hù)

第二章電力電子元器件驅(qū)動(dòng)與保護(hù)前面已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)了三大類電力電子元器件的工作原理，要正確安全使用電力電子器件還需要考慮哪些？第一個(gè)：驅(qū)動(dòng)能力第二個(gè)：保護(hù)能力12.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)2.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述2.1.2晶閘管的觸發(fā)電路2.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路22.1.1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(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口32.1.1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

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型光敏三極管TI作品常用光耦有哪些呢？4這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是DC-DC電路中反激式變換器，里面用高頻變壓器作為將輸入直流升降壓的能量轉(zhuǎn)換元件。52.1.1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)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。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(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。分類62.1.2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)電路應(yīng)滿足下列要求：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(guò)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t1~t2脈沖前沿上升時(shí)間（<1s）t1~t3強(qiáng)脈寬度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72.1.2晶閘管的觸發(fā)電路V2、V3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)。

V2、V3導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)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(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路82.1.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1)GTOGTO的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似。GTO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(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(kāi)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。電流關(guān)斷增益小關(guān)斷后還應(yīng)加-5V反壓92.1.3

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1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路高頻變壓器10典型的直流三倍壓電路設(shè)第一個(gè)半周時(shí)，e2的極性是上正下負(fù)，經(jīng)整流二極管VD1對(duì)C1充電至e2的峰值電壓eM，第二個(gè)半周時(shí)e2的極性下正上負(fù)，c1上的電壓與e2串聯(lián)經(jīng)VD2對(duì)C2充電至2eM，第三個(gè)半周時(shí)e2的極性又變?yōu)樯险仑?fù)，此時(shí)C2上的電壓與e2串聯(lián)經(jīng)VD3對(duì)C3充電到3eM。在開(kāi)始的幾個(gè)周期內(nèi)，電容器的電壓并不能真正充在3eM，但經(jīng)過(guò)不太長(zhǎng)的時(shí)間后，C3上的電壓便穩(wěn)定在3eM左右，在負(fù)載RL兩端便可得到三倍壓的整流電壓。在三倍壓整流電路中，每個(gè)整流元件所承受的最大反向電壓為2eM，充電電容器C1C2C3上所承受的電壓分別為eM、2eM、3eM。注意：這種倍壓整流電路只能用于負(fù)載電流較小的場(chǎng)合。112.1.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)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1-30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形(2)GTR122.1.3

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1-31GTR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(jiàn)。電位補(bǔ)償二極管13142.1.3

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(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10~15V，使IGBT開(kāi)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152.1.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1)電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分圖1-32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。

162.1.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(2)IGBT的驅(qū)動(dòng)圖1-33M57962L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(dòng)器。172.2電力電子器件器件的保護(hù)2.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)2.2.2過(guò)電流保護(hù)2.2.3緩沖電路182.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程換相過(guò)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(guò)電壓。關(guān)斷過(guò)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(guò)電壓。電力電子裝置可能的過(guò)電壓——外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓192.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)措施20開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源方框圖212.2.2過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流——過(guò)載和短路兩種情況保護(hù)措施負(fù)載觸發(fā)電路開(kāi)關(guān)電路過(guò)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(cè)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(guò)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(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。圖1-37過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置222.2.2過(guò)電流保護(hù)全保護(hù)：過(guò)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(chǎng)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(guò)電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)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)和短路保護(hù)兩種232.2.3

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(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開(kāi)通緩沖電路（di/dt抑制電路）——抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和di/dt，減小器件的開(kāi)通損耗。復(fù)合緩沖電路——關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路的結(jié)合。按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無(wú)損吸收電路）。通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開(kāi)通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。緩沖電路(SnubberCircuit)

：

又稱吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt、過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。24b)tuCEiCOdidt抑制電路無(wú)時(shí)didt抑制電路有時(shí)有緩沖電路時(shí)無(wú)緩沖電路時(shí)uCEiC2.2.3

緩沖電路緩沖電路作用分析無(wú)緩沖電路：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a)電路b)波形ADCB無(wú)緩沖電路有緩沖電路uCEiCO

圖1-39關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線252.2.3

緩沖電路充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場(chǎng)合。圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路其中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RC吸收電路放電阻止型RCD吸收電路262.2電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用2.3.1晶閘管的串聯(lián)2.3.2晶閘管的并聯(lián)2.3.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)272.3.1晶閘管的串聯(lián)問(wèn)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(guò)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：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。282.3.1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(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2圖1-41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：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(kāi)通時(shí)間的差異。29靜態(tài)均壓電阻Rj如何選?。篟j≤（0.1~0.25）UR/IDRM；式子中UR為晶閘管的額定電壓；IDRM為斷態(tài)重復(fù)峰值電流。均壓電阻Rj不能取得過(guò)小，會(huì)造成損耗過(guò)大。均壓電阻Rj功率如何估算：P≥K（Um/ns)2/Rj;Um為元件承受的正反向峰值電壓；ns為串聯(lián)元件數(shù)；K為系數(shù)，單相為0.25，三相為0.45，直流為1。電容C的交流耐壓應(yīng)略高于Um/ns，電阻R的功率近似為：P=fc(Um/ns)2×10-6;f為電源頻率，P單位為W。302.3.2

晶閘管的并聯(lián)問(wèn)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：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：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流31322.3.3電力MOSFET和IGBT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)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)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(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)。電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)33圖1-42電力電子器件分類“樹(shù)”本章小