第一章电力电子器件驱动及串并联ppt课件.ppt

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1、1.6 电力电子器件器件的驱动,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述1.6.2 晶闸管的触发电路1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,一驱动电路作用：主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小 开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性有重要的意义； 器件或整个装置的保护电路通常设在驱动电路中，或通过驱动电 路实现。二驱动电路的基本任务 将信息电子电路传来的控制信号按要求转换成加在电力电子器件 控制端与公共端之间的驱动信号，保证其可靠开通或关断； 对半控型器件只需提供 开通控制信号； 对全控型器件则既要提供开通控制

2、信号，又提供关断控制信号； 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节， 电气隔离环节一般采用光电隔离或磁电隔离的型式。,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述, 光隔离一般采用光耦合器, 磁隔离的元件通常是脉冲变压器,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,三从提供的驱动信号的类型可分为两类 1电流驱动型驱动电路 2电压驱动型驱动电路,四从电路的具体形式可为两种类型 1分立元件驱动电路 2专用集成驱动电路 但目前的趋势是采用专用集成驱动电路 双列直插（数字）式集成驱动电路； 混合集成驱动电路（将 光耦隔离电路 也集成在内）； 为达到参数的最佳配合，器件厂家生产有配套的集成驱动电路； 不同

3、的电力电子器件都有自己的专用集成驱动电路。,1.6.2 晶闸管的触发电路,一作用： 产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管的可靠导通,图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形,二对晶闸管触发电路的要求 1脉冲的宽度应保证晶闸管 可靠导通； （IA 大于擎住电流IL） 2触发脉冲应有足够的 幅度 3不超过门极电压、电流和 功率定额，且在可靠触发 区域之内。 4应有良好的抗干扰性能和 温度稳定性以及与主电路 的电气隔离。,t1 t2：脉冲前沿上升时间 1st1 t3：强脉宽度t1 t4：脉冲宽度 0.5mSIGT ：最大触发电流,强脉冲幅值3 IGT 5 IGT,脉冲平顶幅值1.5 IGT 2 IG

4、T,1.6.2 晶闸管的触发电路,三常见的晶闸管触发电路（1）V1、V2 构成 脉冲放大环节（2）脉冲变压器TM 和附属电路构成 脉冲输出环节, V1、V2 导通时，通过脉冲 变压器TM向晶闸管的门极 和阴极之间输出触发脉冲； 当V1、V2 由导通变为截止 时，脉冲变压器通过 VD1 和 R3释放其储存的能量。,图1-27 常见的晶闸管触发电路,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,一电流驱动型器件的驱动电路, 其开通控制与普通晶闸管相似，但对 脉冲前沿的幅值和陡度要求高，一般 需在整个导通期间施加正门极电流； 其关断时需施加负门极电流，对其幅 值和陡度的要求更高，关断后还应在 门阴极之间施加

5、约5V的负偏压以提高 抗干扰能力； 驱动电路通常包括开通、关断驱动电 路和门极反偏电路三部分； 可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合 式两种类型。,图1-28推荐的GTO门极电压电流波形,1GTO 的驱动电路, 该电路是目前应用较广的一种电路，他可避免电路内部相互干扰 和寄生振荡，获得较陡的脉冲前沿，但其功耗大，效率较低, V1 导通输出正强脉冲；V2 导通输出脉冲平顶部分 V2 关断而V3 导通输出负脉冲；V3 关断后 R3 和 R4 提供门极负偏压,典型的直接耦合式 GTO 驱动电路,VD1 C1整流电路提供5V电压,VD2 VD3 C2 C3倍压整流电路提供15V,VD4 C4整流电路提供1

6、5V电压,一电流驱动型器件的驱动电路,2GTR 的驱动电路, 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区 和深饱和区； 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图1-30理想的GTR基极驱动电流波形,关断GTR时，施加一定的负基极电流，有利于减小：关断时间 关断损耗, 一种GTR的驱动电路：包括电气隔离和晶体管放大电路两部分, 如V5 驱动电流过大，会使V 过饱和。贝克箝位电路（抗饱和电路） 会在V过饱和时，因其集电极电位低于基极电位，VD2 自动导通， 使多余的驱动电流流入集电极，维持 Ubc0； C2 为加速电容，V5 导通时，R5 被C2 短路。可实现

7、驱动电流的过 冲、增加前沿陡度，以加快开通。,光电隔离,VD2, VD3构成贝克箝位电路,VS双向稳压管,二电压驱动型器件的驱动电路, 驱动电路的基本特征： 电力 MOSFET 和 IGBT 是电压驱动型器件； 栅源间、栅射间存在数千皮法的电容，为加快栅源间驱动 电压的建立，要求驱动电路的输出电阻尽可能小； MOSFET 开通的驱动电压一般为：10 15V IGBT 开通的驱动电压一般为：15 20V 关断时要施加一定幅值的负驱动电压： 5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗； 在栅极串入一只数十欧左右的电阻，可以减小寄生振荡。,二电压驱动型器件的驱动电路,电力 MOSFET 的一种驱动电路

8、, 专用 MOSFET 混合集成驱动电路 M57918L（三菱公司产品）， 输出最大脉冲电流：2A 和3A，输出驱动电压：15V和10V ； 输入信号电流幅值：16mA。, 无输入信号时，A 输出负电平，V3 导通输出负驱动电压； 有输入信号时，A 输出正电平，V2 导通输出正驱动电压；,1MOSFET 的驱动电路：,光电隔离,高速放大器,放大驱动电路,2IGBT 的驱动：多采用专用的混合集成驱动器 如：三菱公司的 M579 系列 ： M57959L 、 M57962L； 富士公司的 EXB 系列：EXB840、EXB850等；,图133M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图, 具有内部

9、退饱和检测和保护环节，产生过电流时能快速响应但 慢速关断IGBT，并向外部电路输出故障信号。 M57962L 的正驱动电压：15V 左右，负驱动电压：10V 。,1.7 电力电子器件器件的保护,1.7.1 过电压的产生及过电压保护 1.7.2 过电流保护 1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,一电力电子装置可能的过电压,1外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程等外部因素引起 操作过电压 由分闸、合闸等开关操作引起； 雷击过电压 由雷电引起；,2内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的

10、二极管在换相结 束后不能立刻恢复阻断，有较大的反向电流流过，当恢复阻断 能力时，反向电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出 过电压； 关断过电压 全控型器件关断时，正向电流迅速降低而因线路 电感在器件两端感应出的过电压,二电力电子装置的过电压保护, 上述保护电路视具体情况采用其中的几种； 其中 RC3 和 RCD 为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,图1-34过电压抑制措施及配置位置,阀侧浪涌过电压抑制用 RC 电路,空气开关,静电感应过电压抑制电容,刀开关,变压器静电屏蔽层,避雷器,直流侧RC抑制电路,器件换相过电压抑制用 RC 电路,压敏电阻过电压抑制器,阀侧浪涌过电压抑制反向

11、阻断式 RC 电路,器件关断过电压抑制用 RCD 电路,1.7.2 过电流保护,一过电流：分为过载和短路两种情况, 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器（仅适用晶闸管）,二过电流保护措施, 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性； 快熔是电力电子装置中有效和应用广泛的一种过电流保护措施； 选择快熔时应考虑： （1）电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定； （2）电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定； （3）快熔的I 2 t 值应小于被保护器件的允许I 2 t 值； （4）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性； 快熔对器件的保护方式：全保护和短路保

12、护两种 全保护方式：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或 器件裕度较大的场合； 短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用；,二过电流保护措施, 对重要的且易发生短路的晶闸管设备或全控型器件， （很难用快熔保护）采用电子电路进行过电流保护； 全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节 对器件的过电流响应最快； 电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段保护； 直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护； 过电流继电器整定在过载时动作，实现保护；,1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）, 缓冲电路又称 吸收电路，用于抑制器件的： 内因过电压、过电流、d

13、u/dt、di/dt，减小器件的开关损耗,一缓冲电路的分类 1关断缓冲电路（du/dt 抑制电路） 吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗 2开通缓冲电路（di/dt 抑制电路） 抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗 3复合缓冲电路：将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 按吸收能量去向分类： 耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路） 通常 缓冲电路 用于专指：关断缓冲电路 而将开通缓冲电路叫做： di/dt 抑制电路,二缓冲电路作用分析,a）电路 b）波形di/dt 抑制电路和充放电型RCD 缓冲电路及波形,关断时的负载线, 有缓冲电路当V开

14、通时：Cs 通过 Rs 向V放电，使 iC 先上一个台阶， 以后因有Li，iC上升速度减慢 有缓冲电路当V关断时：负载电流通过 VDs向 Cs 分流，减轻了V的 负担，抑制了du/dt 和过电压,开通时电流迅速上升di /dt 很大,关断时 du/dt很大出现很高的过电压,充放电型 RCD 缓冲电路适用于中等容量的场合,a）RC 吸收电路 b）放电阻止型吸收电路 两种常用的缓冲电路,RC 缓冲电路主要用于小容量器件,放电阻止型 RCD 缓冲电路用于中或大容量器件,三缓冲电路中的元件选取及其他注意事项,1Cs 和Rs 的取值可由实验确定或参考工程手册2VDs 必须选用快恢复二极管，额定电流不小于

15、主电路器件的1/103尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容4在中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路5对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容6晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压， 关断时也没有较大的 du/dt，一般采用 RC 吸收电路即可,1.8 电力电子器件器件的串联和并联使用,1.8.1 晶闸管的串联 1.8.2 晶闸管的并联 1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,1.8.1 晶闸管的串联,一串联使用的目的和问题,1目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可采用串联使用的方法2问题：串联时希望器件分压相等，但因器件特性的差异，使

16、每个 器件承受的电压不均匀，必须采取均压措施 静态时电压不均：因器件静态伏安特性的分散性，串联器件流过 相同的漏电流，但各器件承受的电压不相等 承受电压高的器件可能达到转折电压而导通，从而使另一个 器件承担全部电压也导通，失去控制作用 反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿 动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压,1.8.1 晶闸管的串联,二静态均压措施和动态均压措施,1静态均压措施 器件参数和特性尽量 一致 采用电阻均压Rp的阻 值应比器件阻断时的 正、反向电阻小得多,a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施 图1-41晶闸管的串联,2动态均压措施 选择动态参数和特

17、性尽量一致的器件 用 RC 并联支路作动态均压 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异,1.8.2 晶闸管的并联,一目的：用多个器件并联来承担较大的电流二问题：因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀三均流措施： 1尽量挑选特性参数一致的器件并联 2在线路中串接均流电抗进行均流 3对门极触发采用强脉冲也有助于动态均流 4当晶闸管同时需要串并联时，应采用先串后并的方法联接,1.8.3 电力MOSFET 和 IGBT 并联运行的特点,一电力MOSFET并联运行的特点, Ron 具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联； 注意选用 Ron、UT、Gfs 和 Ciss 尽量相近的

18、器件并联； 电路走线和布局应尽量对称； 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用；,二IGBT并联运行的特点, 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数； 在以上的区段则具有正温度系数； 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联；,本 章 小 结,一主要内容, 主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数 电力电子器件在使用时应注意的驱动、保护和串、并联等问题,电力电子器件分类“树”,二电力电子器件类型归纳,1按导电载流子类型分 单极型：电力MOSFET、SIT 结型场效应晶体管 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR、 SITH 静电感应晶闸管

19、复合型：IGBT 、 MCT MOS 控制晶闸管,2按驱动电压类型分 电压驱动型器件：单极型和复合型器件，双极型器件中的SITH 特点：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高 电流驱动型器件：双极型器件（除SITH为电压驱动型外） 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但其 工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路较复杂,三当前器件的状况, IGBT 为主体的第四代产品，制造水平已达到：2.5 kV / 1.8 kA， 兆瓦以下首选，并不断发展，与集成门极换流晶闸管 IGCT 等 新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代 GTO； GTO 当前制造水平 6 kV / 6 kA ，兆瓦以上首选； 光控晶闸管 当前制造水平达 8 kV / 3.5 kA ，用在功率更大场合， 装置容量最高可达 300MVA，容量最大； 电力MOSFET 用在中小功率、特别是低压装置中，地位牢固； 功率模块 和功率集成电路 是现在电力电子发展的一个共同趋势,3器件应用的排序 按器件的电压、电流从大到小排序 晶闸管、GTO、 IGBT 、 MCT 、SIT、GTR 、MOSFET 器件的工作频率从大到小排序 MOSFET、SIT、SITH、IGBT、GTR、MCT、GTO、SCR,第一章 结 束,