電力電子第9章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題課件

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

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1

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

9.1電力電子器件的驅(qū)動驅(qū)動電路——主電路與控制電路之間的接口，使器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，提高裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性9.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述◆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(dāng)脈沖較寬時，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

9.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述電流驅(qū)動型：GTO、GTR電壓驅(qū)動型：MOSFET、IGBT3、驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢分立元件→專用集成驅(qū)動電路2、驅(qū)動電路的分類

晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路

9.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述■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刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通?！艟чl管觸發(fā)電路往往包括對其觸發(fā)時刻進(jìn)行控制的相位控制電路。

9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4t1~t2脈沖前沿上升時間（<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）

2、理想的觸發(fā)脈沖電流波形9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路◆由V1、V2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)V1、V2導(dǎo)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V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(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)。

9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路3、常見的晶閘管觸發(fā)電路

1、電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路1）GTO對觸發(fā)脈沖的要求：—開通：與SCR相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流—關(guān)斷：關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路1、電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路1）GTO兩種類型：脈沖變壓器耦合式：直接耦合式：能電氣隔離，但變壓器漏感使輸出脈沖陡度受限，且其寄生L和C易出現(xiàn)寄生振蕩和干擾可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但功耗大，效率較低GTO驅(qū)動電路開通驅(qū)動電路關(guān)斷驅(qū)動電路門極反偏電路9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路典型直接耦合式GTO驅(qū)動電路：1、電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路1）GTO9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路1、電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路2）GTR對觸發(fā)脈沖的要求：—開通：開通驅(qū)動電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之正向壓降較低又有利于關(guān)斷—關(guān)斷：關(guān)斷時，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路—抗飽和電路（貝克箝位電路）：由箝位二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成—加速電容C2：為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路，可實現(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路GTR的一種驅(qū)動電路1）電力MOSFET對觸發(fā)脈沖的要求—柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小—使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般10～15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15～20V—關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)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—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)動器件電流額定值的增大而減小9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路2、電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路2、電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路2）MOSFET的一種驅(qū)動電路無輸入信號時高速放大器A輸出負(fù)電平，V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓當(dāng)有輸入信號時A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路專為驅(qū)動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。）。

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)1、電力電子裝置可能的過電壓原因外因過電壓：(1)操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起

(2)雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓：換相過電壓：由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，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9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)避雷器靜電感應(yīng)過電壓抑制電容閥側(cè)浪涌過電壓抑制閥側(cè)浪涌過電壓抑制反向阻斷式RC電路壓敏電阻過電壓抑制換相過電壓抑制直流側(cè)過電壓抑制閥器件關(guān)斷過電壓抑制RCD電路變壓器靜電屏蔽層9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)2、過電壓保護(hù)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。

9.2.2過電流保護(hù)■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作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。

快速熔斷器電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施快熔對器件的保護(hù)方式分兩種：全保護(hù)和短路保護(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)方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用9.2.2過電流保護(hù)作用：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)損耗分類：關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路、緩沖電路）吸收器件關(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（di/dt抑制電路）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(fù)合緩沖電路將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起9.2.3緩沖電路常用緩沖電路——di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路用于中等容量器件9.2.3緩沖電路常用緩沖電路——di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路無緩沖電路：V開通時電流迅速上升，di/dt很大關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓9.2.3緩沖電路常用緩沖電路——di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路有緩沖電路：V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢；V關(guān)斷時：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9.2.3緩沖電路關(guān)斷時的負(fù)載曲線無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應(yīng)電壓使VD通，負(fù)載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移到C有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C9.2.3緩沖電路另外兩種緩沖電路RC吸收電路用于小容量器件放電阻止型RCD吸收電路用于中或大容量器件9.2.3緩沖電路當(dāng)單個器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，需將器件串聯(lián)或并聯(lián)或者將裝置串聯(lián)或并聯(lián)。9.3電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時，可以同型號器件串聯(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1、靜態(tài)不均壓問題—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9.3.1晶閘管的串聯(lián)后果：承受電壓高的器件首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)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9.3.1晶閘管的串聯(lián)靜態(tài)均壓措施：1）選用參數(shù)和特性盡量一致的器件2）采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多9.3.1晶閘管的串聯(lián)2、動態(tài)不均壓問題—由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓9.3.1晶閘管的串聯(lián)動態(tài)均壓措施：1）選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件2）用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓3）采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異9.3.1晶閘管的串聯(lián)目的：多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻均流措施：1）挑選特性參數(shù)盡量一致的器件

2）采用均流電抗器

3）用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流

4）當(dāng)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9.3.2晶閘管的并聯(lián)—電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點1）