電力電子器件應(yīng)用

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

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)2/279.1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

3/279.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述圖9-0

電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成

電氣隔離■電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。4/279.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述■驅(qū)動電路的作用

◆是電力電子主電路與控制電路之間的接口?！袅己玫尿?qū)動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)?！鲵?qū)動電路的基本任務(wù)

◆按控制目標(biāo)的要求給器件施加開通或關(guān)斷的信號。

◆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。5/279.1.1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(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

6/279.1.1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?！鲵?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(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)動電路。7/279.1.2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

脈沖前沿上升時間（<1

s）t1~t3

強脈沖寬度IM

強脈沖幅值（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刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。◆晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時刻進(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，比如對感性和反電動勢負(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。

8/279.1.2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)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它電路環(huán)節(jié)。(P88電路分析)

9/279.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路OttOuGiG圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形■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?！鬐TO

?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(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，強負(fù)脈沖寬度約30

s，負(fù)脈沖總寬約100

s施加約5V的負(fù)偏壓，以提高抗干擾能力。10/279.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路圖9-5典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路

?直接耦合式驅(qū)動電路

√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，輸出正強脈沖；V2開通時，輸出正脈沖平頂部分；

√V2關(guān)斷而V3開通時輸出負(fù)脈沖；V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓。

+5V+15V-15V11/279.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路tOib◆GTR

?開通的基極驅(qū)動電流應(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，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)通時處于臨界飽和狀態(tài)；√C2為加速開通過程的電容，開通時R5被C2短路，這樣可以實現(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。

?驅(qū)動GTR的集成驅(qū)動電路中，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)動電流波形圖9-7GTR的一種驅(qū)動電路

12/279.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路圖9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動電路■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10~15V，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(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。

◆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。

13/279.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路圖9-9M57962L型IGBT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?！鬒GBT

?多采用專用的混合集成驅(qū)動器，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）。14/279.2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

9.2.3緩沖電路15/279.2.1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?！鐾庖蜻^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，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。

16/279.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護圖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。

17/279.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護圖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◆抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路?！魧Υ笕萘康碾娏﹄娮友b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。

18/279.2.2過電流保護圖9-13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

◆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措施，以提高保護的可靠性和合理性。

◆通常，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。

19/279.2.2過電流保護◆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。

?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、短路均由快熔進(jìn)行保護，適用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?！魧χ匾那乙装l(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?！舫Ｔ谌匦推骷尿?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。20/279.2.3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。

21/279.2.3緩沖電路b)tuCEiCOdidt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9-14

di/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，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(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。?因為關(guān)斷時電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會出現(xiàn)一定的過電壓。

22/279.2.3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，uCE迅速上升，負(fù)載線從A移動到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)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(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C。

?負(fù)載線在到達(dá)B時很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負(fù)載線ADC是很安全的，且損耗小?！袅硗鈨煞N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)斷時也沒有較大的du/dt，因此一般采用RC吸收電路即可。

23/279.3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)24/279.3.1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■對較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個電力電子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)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

?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?！魟討B(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問題。

?為達(dá)到動態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外還可以用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓；對于晶閘管來講，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