電力電子技術(shù)7

7.1觸發(fā)、驅(qū)動器7.2過電流保護和過電壓保護7.3開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)7.4緩沖器7.5濾波器7.6散熱系統(tǒng)7.7控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)7輔助元器件與系統(tǒng)電力電子變換器中除開關(guān)電路外，還必須有一些輔助元器件和系統(tǒng)：

7輔助元器件和系統(tǒng)（續(xù)1）本章介紹這些輔助元器件和系統(tǒng)半導體開關(guān)器件的觸發(fā)、驅(qū)動器過流、過壓保護系統(tǒng)緩沖器電感和變壓器濾波器散熱系統(tǒng)控制系統(tǒng)輔助電源7.1觸發(fā)、驅(qū)動器從控制系統(tǒng)輸出的微弱門信號電平控制信號，經(jīng)處理后給開關(guān)器件的控制極（門極或基極）提供足夠大的驅(qū)動電壓或是電流，使開關(guān)器件開通。對于全控型器件，此后，必須要維持通態(tài)，指導接受關(guān)斷信號后使開關(guān)信號從通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)，并保持斷態(tài)。很多情況下，尤其是高壓變換器，控制系統(tǒng)和主電路之間需要有電氣隔離，必須通過脈沖變壓器和光電耦合器實現(xiàn)。不同類型的開關(guān)器件對驅(qū)動信號的要求不同，驅(qū)動電路和方案也不同。7.1.1晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器7.1.2GTO的觸發(fā)驅(qū)動器7.1.3BJT的驅(qū)動器7.1.4P-MOSFET、IGBT的驅(qū)動器7.1觸發(fā)、驅(qū)動器(續(xù)1)為觸發(fā)SCR開通，門極脈沖電流必須有足夠大的幅度和持續(xù)時間，以及盡可能短的電流上升時間。7.1.1晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器采用脈沖變壓器（PTR）和晶體管放大器（TRA）的驅(qū)動器如右圖所示。光電隔離器由發(fā)光二極管LED和光控晶閘管LAT組成光電耦合隔離較變壓器隔離電磁干擾小，但光控晶閘管LAT必須能承受電路高壓高壓電力系統(tǒng)直流輸電所用的高壓大功率SCR觸發(fā)器大都采用光纖電纜傳送驅(qū)動信號左圖為SCR的一個簡單光電隔離驅(qū)動器7.1.1晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動器（續(xù)1）7.1.2GTO的觸發(fā)驅(qū)動器GTO要求有正值門極脈沖電流，觸發(fā)其開通；但在關(guān)斷時，要求很大幅度的負脈沖電流使其關(guān)斷。因此全控器件GTO的驅(qū)動器比半控型SCR復雜。當GTO需要開通時，MOS管T1、T2接收從控制系統(tǒng)的開通信號，兩個MOS管T1和T2交替的通、斷切換，使脈沖變壓器PTR傳輸高頻脈沖列，脈沖變壓器的二次側(cè)為高頻交流脈沖電壓。一旦需要關(guān)斷GTO時，控制系統(tǒng)發(fā)出的關(guān)斷信號，一方面令T1、T2失去開通信號，同時觸發(fā)SCR導通，電容C經(jīng)SCR到GTO的陰極K、門極G和電感L放電，產(chǎn)生負電流，關(guān)斷GTO。BJT理想驅(qū)動條件及理想波形7.1.3BJT的驅(qū)動器基極驅(qū)動電流的波形。開通時要有較高的基極驅(qū)動電流強觸發(fā)，以減短開通時間。

BJT開通后在通態(tài)下基極電流要適當?shù)臏p小，以減小通態(tài)基-射結(jié)損耗，同時使BJT不至于飽和導通。飽和導通時其關(guān)斷時間比臨界飽和時間長的多，不利于關(guān)斷關(guān)斷時施加反向基極電流，可進一步縮短關(guān)斷時間斷態(tài)時最好外加反向的基-射電壓，能增加阻斷電壓的能力輸入端P為低電平時，T1通，T2通，驅(qū)動BJT，使其導通輸入端為高電平時，T1斷，T3通，C經(jīng)T3放電，形成BJT關(guān)斷所需的關(guān)斷電流，使其關(guān)斷。7.1.3BJT的驅(qū)動器（續(xù)1）

P點有正信號輸入時，反相器輸出B點電位為0，LT1導通，A點為正電位，經(jīng)R1向T1提供基極電流使T1導通，為BJT提供+IB。當P點無輸入信號時，LT2導通，A點為負電位，T2導通，電容C經(jīng)T2、R2放電，為BJT提供關(guān)斷電流-IB，使其關(guān)斷。7.1.3BJT的驅(qū)動器（續(xù)2）7.1.4P-MOSFET、IGBT的驅(qū)動器P-MOSFET、IGBT等都是電壓型驅(qū)動器件，要求有持續(xù)的電平使其開通并保持其通態(tài)；關(guān)斷時最好加持續(xù)的負電平，并維持其可靠的斷態(tài)P有正信號輸入時，變壓器二次側(cè)電壓經(jīng)二極管D1向P-MOSFET充電，這時AM反偏而阻斷，阻斷了P-MOSFET門極電容C放電，開通P-MOSFET；P=0時，AM開通，C放電，P-MOSFET截止。一、脈沖變壓器的P-MOSFET、IGBT驅(qū)動器P有正信號輸入時，放大器輸出A點正電位使T1導通，P-MOSFET開通，并使結(jié)電容C充好電，并使P-MOSFET保持通態(tài)P無信號輸入時，A點為負電位，T2導通，穩(wěn)壓管DZ兩端電壓作為反壓加至MOSFET開關(guān)管的S、G極，使C迅速放電，使得P-MOSFET管上柵-源極加負壓，使其關(guān)斷并保持斷態(tài)一、用光耦隔離的P-MOSFET、IGBT驅(qū)動器7.1.4P-MOSFET、IGBT的驅(qū)動器（續(xù)1）7.2過電流保護和過電壓保護7.2.1過電流保護7.2.2過電壓保護7.2.3開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護7.2.1過電流保護電力電子變換和控制系統(tǒng)遠行不正常或發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過流，造成開關(guān)器件的永久性損壞。可同時采用多種過流(過載、短路)保護，各盡所能協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)可靠地選擇性保護；電子保護：動作閾值高，延時小；快速熔斷器：既可作短路保護又可作過載保護，熔斷時間與過流的大小有關(guān)；上圖給出了一種利用SCR的過流保護方案。當電力電子變換器開關(guān)電路發(fā)生過流時，電子保護電路輸出觸發(fā)器信號使SCR導通將電路短路，從而使熔斷器快速熔斷而切斷短路電路的電源。7.2.1過電流保護（續(xù)1）實例7.2.2過電壓保護電力電子變換系統(tǒng)中可能發(fā)生的過電壓有外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類：1、外因過電壓：（1）雷擊過電壓；（2）操作過電壓2、內(nèi)因過電壓：（1）二極管反向恢復過電壓；（2）開關(guān)管關(guān)斷過電壓上圖為一個電力電子系統(tǒng)中采用的過壓抑制措施以及配置：交流電源經(jīng)交流熔斷器S送入降壓器PT，F(xiàn)是避雷針。當雷電過電壓從電網(wǎng)竄入時，避雷針對地放電防止雷電進入變壓器。Co為靜電感應過電壓抑制電容；RC為過電壓緩沖器；RV壓敏電阻；用緩沖器抑制開關(guān)管通、斷時的過電壓。7.2.2過電壓保護（續(xù)1）實例：開關(guān)管并聯(lián)使用時要均流

開關(guān)管串聯(lián)使用時要均壓7.2.3開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流要采取的措施：晶閘管的串聯(lián)當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)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，各器件分壓不等承受電壓高的器件首先達到轉(zhuǎn)折電壓而導通，使另一個器件承擔全部電壓也導通，失去控制作用反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿7.2.3開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護（續(xù)1）SCR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的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多7.2.3開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護（續(xù)2）P-MOSFET并聯(lián)運行的特點Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，容易并聯(lián)；選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)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)運行的特點在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負的溫度系數(shù)在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián)7.2.3開關(guān)管串并聯(lián)均壓均流保護（續(xù)3）7.3開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)7.3.1線路電感Lσ=0時開關(guān)器件的開通關(guān)斷過程7.3.2線路電感Lσ≠0時開通、關(guān)斷過程7.3.3安全工作區(qū)電力電子電路中開關(guān)器件有兩種工狀態(tài)：通態(tài)和斷態(tài)；有兩種過渡過程：開通和關(guān)斷過程。（1）斷態(tài)：圖中的t8-t10期間，無驅(qū)動信號且等效電阻rT=∞；

（2）通態(tài)：圖中的t4-t5期間，有正驅(qū)動信號且等效電阻rT=0；

（3）開通過程：處于斷態(tài)的開關(guān)器件被施加正驅(qū)動信號后，t1-t4期間，其等效電阻rT從無窮大變?yōu)閞T=0通態(tài)過程；

（4）關(guān)斷過程：處于通態(tài)的開關(guān)器件被撤除正驅(qū)動信號后，t5-t8期間，其等效電阻rT從rT=0變?yōu)闊o窮大斷態(tài)態(tài)過程；

7.3開關(guān)器件的開通、關(guān)斷過程及安全工作區(qū)（續(xù)1）7.3.1線路電感Lσ=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程7.3.1線路電感Lσ=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程（續(xù)1）電感負載在一個完整的周期可分為8個時間段。在開通和關(guān)斷過程中，負載電流Io的變化可以認為恒定不變的。各個階段工作情況及變化情況如下：

（1）截止區(qū)：t<t1,vG(iG)≤0,開關(guān)因反偏而處于斷態(tài)，rT=∞，iT=0。這時感性負載電流Io經(jīng)續(xù)流二極管D續(xù)流，二極管的壓降為0，因此開關(guān)T端電壓vT=VD。

（2）開通延遲td（t1-t2）：t=t1時施加驅(qū)動信號vG(iG)>0。由于開關(guān)內(nèi)部建立、積累導電電荷使其具有導電能力需要一定的時間，故在vG(iG)開始變正后的一段時間td時期內(nèi)開關(guān)管仍然無導電能力，rT仍然很大，iT=0，iD=Io，二極管D的端電壓為零，vT=VD。工作點仍在A點。

（3）開通期電流iT上升時期tri（t2-t3）：從t=t2開始，開關(guān)管內(nèi)部電荷積累使其導通性增強，電流iT從零上升到Io，工作點從A點移至B點。7.3.1線路電感Lσ=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程（續(xù)2）（4）開通期間電壓vT下降時期tfv(t3-t4):t=t3時，iT=Io，iD=0，二極管導電結(jié)束。開關(guān)管工作點從B點移至C點

（5）通態(tài)導電期t4-t5：vG(iG)>0:iT=Io,vT=0,開關(guān)管工作點為C點，二極管截止。實際工作中通態(tài)導電期t4-t5遠大于開通過程t1-t4。

（6）關(guān)斷存儲期ts(t5-t6):開關(guān)管通態(tài)導電，電源VD向負載供電到t=t5時，撤除vG(iG)或是vG(iG)開始反向。工作點仍在C點。

（7）關(guān)斷期電壓vT上升時期trv（t6-t7）：t=t6時，iT=Io，但開關(guān)管的導電能力已經(jīng)開始減弱，rT增大。工作點從C點移至B點。

（8）關(guān)斷期電流iT下降時期tfi（t7-t8）：在t=t7時開關(guān)vT=VD，iT=Io。在t>t7時，等效電阻繼續(xù)增大，iT下降，直到下降到零。工作從B點移到A點。開通電流iT上升期：iT=Iot/tri

關(guān)斷電流iT下降期：iT=Io(1-t/tfi)

認為vT在開通關(guān)斷過程中也呈線性變化在則：7.3.1線路電感Lσ=0時開關(guān)器件開通關(guān)斷過程（續(xù)3）7.3.2線路電感Lσ≠0時開通、關(guān)斷過程開通：斷態(tài)時，VT=VD，iT=0。工作點為A，開通的工作軌跡為AQEC。7.3.2線路電感Lσ≠0時開通、關(guān)斷過程（續(xù)1）關(guān)斷：通態(tài)時VT=0，iT=Io，工作點為C，工作軌跡為CBHPA。7.3.3安全工作區(qū)Lσ=0時，開通軌跡ABC，關(guān)斷軌跡CBALσ≠0時，開通軌跡AQEC，關(guān)斷軌跡CBHPALσ改善了開通軌跡，惡化了關(guān)斷軌跡安全工作區(qū)：VT<VCEO

iT<ICM，

Pt=VT×iT<PM，7.4緩沖器7.4.1全控型開關(guān)管LCRD復合緩沖器7.4.2電力二極管、晶閘管的RC緩沖器7.4.3P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器7.4.1全控型開關(guān)管LCRD復合緩沖器緩沖電路由Ls、Cs、Ds、Rs組成，T用于全控型開關(guān)管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。串聯(lián)電感Ls用于開通緩沖vT，類似于線路電感Lσ≠0時的開通過程，開通軌跡為圖中的AQEC，并聯(lián)電容Cs用于關(guān)斷緩沖vT。7.4.1全控型開關(guān)管LCRD復合緩沖器(續(xù)1)7.4.2電力二極管、晶閘管的RC緩沖器串聯(lián)電感Ls雖能改善開關(guān)的開通損耗，但會增加關(guān)斷的損耗，為了簡化緩沖電路，常不引入串聯(lián)電感Ls。所示R、C、D緩沖電路常用于保護晶閘管再取消DS，僅有RS、CS的緩沖電路常用于保護電力二極管。7.4.3P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器關(guān)斷過程：

rt上升，在vT從0上升到VD期間D0、D仍反偏截止，iL=iT=Io，工作點從C到B

當vT略大于VD后，D0導電，iT下降到0的tfi期間，iC使C充電，D導電。由于在通態(tài)時C充電到VC=VD，在t=tfi，開關(guān)管iT=0。工作點從B到M7.4.3P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器(續(xù)1)M→P，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，T關(guān)斷，iL繼續(xù)對C充電,iL=0時vC=vT=VTP=VCPP→A，VC=VT經(jīng)L、電源、R放電至VD

，關(guān)斷軌跡為：C→B→M→P→A7.4.3P-MOSFET、IGBT的限幅箝位緩沖器(續(xù)2)開通過程：rT減小，iT=iL上升到Io的tri期間，D0仍導電，VT減小，C經(jīng)T、R放電，D截止，iT=Io時，工作點從A到F，當iT=Io時，VT=VTF，D0、D截止，rT減小，VT減小到0，工作點從F到C。斷態(tài)時，iT=0，VT=VC=VD，D0續(xù)流開通的軌跡為AFC7.5濾波器7.5.1濾波器功能、類型7.5.2LC濾波器的特性分析7.5.3諧振濾波器7.5.1濾波器功能、類型根據(jù)其放置的位置不同，濾波器分為：輸入濾波器（或稱電源側(cè)濾波器）、輸出濾波器（或稱為負載側(cè)濾波器）和中間濾波器三種。按其電路結(jié)構(gòu)的不同有可分為L、C串、并聯(lián)濾波器和LC諧振型濾波器。根據(jù)其處理對象的不同可分為電壓濾波器和電流濾波器。上圖中L1C1為交流濾波器，LoCo為交流濾波器，L2C2為中間直流濾波器。濾波器類型：7.5.1濾波器功能、類型(續(xù)1)對于輸出濾波器來說，適當?shù)倪x擇Lo、Co的數(shù)值，使串聯(lián)電感Lo阻抗遠大于負載端諧波阻抗，并聯(lián)電容Co的諧波阻抗遠小于負載等效阻抗，可使得諧波電流v2h絕大部分降落到Lo上，使得負載上的諧波電壓很小。諧波電流I2h幾乎全部流入CoAC/DC整流電路輸入電流i1除基波電流i11外，還有諧波i1hL1對諧波電流阻抗大，C1對諧波電流阻抗小I11中的諧波電流幾乎全部流入C1，使電源電流is≈is17.5.1濾波器功能、類型(續(xù)2)中間濾波器：L2、C2的輸入輸出都是直流①它把整流電路輸出的直流電壓中的諧波降落在L2上，減小C2端的諧波電壓②它把逆變器輸入斷的諧波電流流入C2，減小L2中的諧波電流7.5.1濾波器功能、類型(續(xù)3)7.5.2LC