電力電子技術(shù)-2.6-DRV

1-12.6

電力電子器件器件的驅(qū)動2.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述2.6.2晶閘管的觸發(fā)電路2.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路1-22.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述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(hù)措施也往往設(shè)計在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(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。驅(qū)動電路——主電路與控制電路之間的接口1-32.6.1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

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1-42.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。驅(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。分類1-52.6.2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

脈沖前沿上升時間（<1

s）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1-62.6.2晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2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)。

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。圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路1-72.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動電路(1)GTOGTO的開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)動型器件的驅(qū)動電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓GTO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。1-82.6.3

典型全控型器件的驅(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。目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路＋5VC2C3D2D3倍壓＋15V-15V強(qiáng)脈沖平脈沖關(guān)斷脈沖無控制時負(fù)壓關(guān)斷1-92.6.3

典型全控型器件的驅(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)斷時可用0電壓，但加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取-5~-10V）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5～10W可以減小寄生振蕩。2)電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路1-102.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動電路(1)電力MOSFET的一種驅(qū)動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分電力MOSFET的一種驅(qū)動電路專為驅(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。

1-112.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動電路(2)IGBT的驅(qū)動

M57962L型IGBT驅(qū)動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)動器。IGBT絕緣柵較薄，過高的門極驅(qū)動電壓（>30V)可能導(dǎo)致?lián)舸?應(yīng)用中應(yīng)注意防止驅(qū)動布線電感引起的電壓振蕩1-12IGBT驅(qū)動技術(shù)要點一定幅值的正反向門極驅(qū)動電壓：正壓越大，導(dǎo)通壓降越小，通態(tài)損耗越小，但同時也使承受短路電流時間變短，可能引起振蕩使門極損壞。一般不允許超過＋20V。關(guān)斷反壓一般為－5～－15V。負(fù)壓關(guān)斷可減少關(guān)斷損耗，提高可靠性。電隔離、信號傳輸延時可忽略。門極回路必須串聯(lián)合適門極電阻，控制門極電壓的前后沿陡度：減小可降低開關(guān)損耗，但同時增大開通時的di/dt，增加續(xù)流二極管恢復(fù)時的浪涌電壓。一般取9～30歐姆。具有過壓、短路、du/dt保護(hù)功能。1-13常用IGBT混合集成驅(qū)動電路TLP520/530

光電隔離、可直接驅(qū)動50A/1200V以內(nèi)IGBT。M57962L

含過流保護(hù)，光電隔離?？芍苯域?qū)動600V/400A,1200V/400A以內(nèi)IGBT。SCALE系列集成驅(qū)動器【瑞士】可驅(qū)動400～1200A/1700VIGBT模塊接口簡單，可處理5～15V標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號，單15V電源。開關(guān)頻率0～100KHz。具有過流、短路保護(hù)EXB系列（EXB850/851/840/841)：標(biāo)準(zhǔn)10kHz,高速40kHz。光電隔離，單電源，過流保護(hù)。可驅(qū)動600V/150A~400A,1200V/75A~300AIGBT模塊。1-142.7電力電子器件器件的保護(hù)2.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)【閱讀】2.7.2過電流保護(hù)【閱讀】2.7.3緩沖電路1-152.7.3

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——關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(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（無損吸收電路）。通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。緩沖電路(SnubberCircuit)

：

又稱吸收電路，抑制器件的過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。1-16b)tuCEiCOdidt抑制電路無時didt抑制電路有時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC1.7.3

緩沖電路緩沖電路作用分析無緩沖電路：有緩沖電路：圖1-38

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ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO

圖1-39關(guān)斷時的負(fù)載線關(guān)斷時負(fù)載電流通過二極管向電容分流減輕V的負(fù)擔(dān)，抑制du/dt和過電壓。開通時電容為V提供初始電流。抑制開通時V電流的迅速上升，同時在關(guān)斷時提供放電回路。1-171.7.3

緩沖電路充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合。

di/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。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1-18關(guān)斷的RCD緩沖無緩沖時，關(guān)斷前電流為I0,給VT適當(dāng)?shù)年P(guān)斷信號，VT開始關(guān)斷，端電壓假定線性上升，在等于電源電壓前，續(xù)流管反偏不能導(dǎo)通，因此VT繼續(xù)流過電流I0。管壓略高于電源電壓后，D1導(dǎo)通續(xù)流，管電流線性（假定）下降到0完成關(guān)斷。有緩沖時，關(guān)斷前電流為I0,給VT適當(dāng)?shù)年P(guān)斷信號，VT開始關(guān)斷，因端電壓上升到等于電源電壓前，續(xù)流管反偏不能導(dǎo)通，隨功率開關(guān)電流下降，電流I0被逐漸轉(zhuǎn)移到緩沖回路。假定管電流線性下降，則管壓等于電容電壓按電容充電常數(shù)上升。直到充達(dá)略高于電源電壓，使續(xù)流管D1導(dǎo)通。最大電壓上升率發(fā)生在電流降為0時；max(duvt/dt)=I0/C當(dāng)器件要求控制最大電壓上升率時可據(jù)此選擇電容。電阻限制電容放電電流抑制開通時管電流沖擊，并消耗電容儲能。1-19IGBT的緩沖電路正常感性負(fù)載下，IGBT開關(guān)環(huán)境相當(dāng)惡劣緩沖電路基本形式布線電感開通緩沖關(guān)斷緩沖無緩沖關(guān)斷：SWUZV,損耗大關(guān)斷過壓開通VbWS,損耗也較大1-20關(guān)斷換流期特點T-CS換流(f,g)CS-D0換流(h,I,j)關(guān)斷損耗顯著降低1-21開通換流期特點uce線性下降,iL緩升。t=2,iL<<I0,uce=0,uL=Ud,iL線性上升。因開通緩沖需在主電流通道串入電感，大功率條件下會顯著增加變換器體積和能耗，一般較少采用。但布線電感總是存在的。1-22一種常見的橋臂結(jié)構(gòu)緩沖電路

假定負(fù)載電感充分大，輸出電流基本i0恒定。1-23T1導(dǎo)通區(qū)(a)：

1-241-25CS放電（d）

參數(shù)選擇：電路特點：關(guān)斷過電壓可有效抑制；Cs不經(jīng)導(dǎo)通器件放電；關(guān)斷電壓上升率不能抑制。其它電路電壓雙象限、四象限橋式

1-26小結(jié)：緩沖電路的主要作用是抑制器件在開關(guān)過程中可能出現(xiàn)的過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。1-272.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用【略】2.8.1晶閘管的串聯(lián)2.8.2晶閘管的并聯(lián)2.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點1-282.8.1晶閘管的串聯(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。動態(tài)不均壓：由于器件動態(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，可以串聯(lián)。1-292.8.1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)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施動態(tài)均壓措施：選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓。采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間的差異。1-302.8.2

晶閘管的并聯(lián)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：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)也有助于動態(tài)均流。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。目的：多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流1-312.8.3電力MOSFET和IGBT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)。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)盡量對稱?？稍谠礃O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(fù)溫度系數(shù)。在1/2或1/3額定電流以上的區(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)。電力MOSFET并聯(lián)運行的特點1-32電力電子器件分類“樹”

本章小結(jié)主要內(nèi)容全面介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。集中討論電力電子器件的驅(qū)動、保護(hù)和串、并聯(lián)使用。電力電子器件類型歸納單極型：電力MOSFET和SIT雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH

復(fù)合型：IGBT和MCT1-33

本章小結(jié)

特點：輸入阻抗高，所需驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，工作頻率高。電流驅(qū)動型：

特點：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動功率大,驅(qū)動電路較復(fù)雜。電壓驅(qū)動型：1-34本章小結(jié)重點掌握：電力二極管特性，特別是反向恢復(fù)電流的形成原因、特點、典型恢復(fù)時間；晶閘管的導(dǎo)通、關(guān)斷條件；MOSFET和IGBT的工作特點、開關(guān)特性，開關(guān)、通態(tài)損耗與計算、各自的優(yōu)缺點、主要參數(shù)與最佳使用場合，對驅(qū)動的要求。緩沖電路的作用、RCD緩沖原理。1-35

本章小結(jié)

IGBT為主體，第六代產(chǎn)品，制造水平4.5kV/4.8kA，兆瓦以下首選。仍在不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競爭，目前已在兆瓦級取代GTO。GTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA。當(dāng)前逐漸受到IGCT挑戰(zhàn)。光控晶閘管：功率更大場合，8kV/3.5kA，裝置最高達(dá)300MVA，容量最大。電力MOSFET：長足進(jìn)步，中小功率領(lǐng)域特別是低壓【100V范圍】，地位牢固，正向600V拓展。功率模塊和功率集成電路是現(xiàn)在電力電子發(fā)展的一個共同趨勢。當(dāng)前的格局:1-36功率電子的主要國際期刊和會議期刊：IEEETransactionson～AerospaceandSyatems～I(xiàn)ndustrialElectronics～I(xiàn)ndustryApplications～PowerElectronics會議：AppliedPowerElectronicsConference(APEC)EuropeanPowerElectronicsConference(EPEC)IEEEIndustrialElectronics