电力电子开关器件的辅助电路.ppt

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1、第2章 电力电子开关器件的辅助电路,要保证用于电力系统或电力设备主电路中的各种开关器件在工作过程中的安全和可靠，必须针对器件的不同性能和容量设计相应的辅助电路。包括：驱动电路、缓冲电路和保护电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在较理想的开关状态，减少开关损耗，提高器件工作可靠性。本章还介绍了电力电子开关器件的串并联技术和散热技术，这些辅助技术手段对设备的运行安全、运行效率和可靠性都有着重要的意义。,教学要求：1.掌握各种电力电子开关器件的相关辅助电路设计方法；2.了解电力电子开关器件的串并联技术；3.掌握功率器件散热设计方法。,2.1 电力电子开关器件的驱动电路,驱动电路主电路与控

2、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、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。按照驱动信号的性质分为电流驱动型和电压驱动型。,驱动电路的基本任务：,按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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信号，又要提供关断控制信号。,2.1.1 晶闸管的门极驱动电路（电流驱动型）,1.晶闸管触发电路的基本要求,（1）触发信号通常采用脉冲信号。（2）触发脉冲要有足够的触发功率。（3）触发脉冲的移相范围要满足变流装置的要求。一般移相范围180。

3、（4）触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲前沿陡度大于10V/s或800mA/s。（5）触发脉冲与主电路电源电压保持同步。,SCR导通必须的外界条件：阳极加正向电压，门极加正触发信号。当SCR导通后，门极控制信号不再起作用，直到阳极电压减小或反向后，阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。因此，晶闸管的门极驱动电路又称为触发电路。,触发电路的类型,晶闸管门极触发电路有移相控制和垂直控制两种方法：,移相控制通过改变控制脉冲产生的时间来改变晶闸管的导通角。,垂直控制将移相信号和控制信号叠加，通过改变控制信号的大小来改变晶闸管导通角。,触发电路中触发脉冲可以用模拟电路或数字电路来产生，目前应用广泛

4、的：,专用集成触发电路模拟式触发电路的单片集成，具有移相线性度好，性能稳定可靠，体积小，温漂小等优点。,数字式触发电路将数字逻辑电路和微处理器用于产生移相触发脉冲，其硬件电路大大简化，触发脉冲一致性好，触发角的分辨率高，并可提高触发器的灵活性和稳定性。,集成化触发电路,集成化触发器体积小、性能好、功耗低、可靠性高，目前国内常用的有KC 和KJ两个系列。,例如，KC04集成触发器为16脚双列直插式塑封芯片。,与锯齿波同步触发电路相似，由同步单元、锯齿波形成单元、移相单元、脉冲形成单元和功率放大单元组成。,由一个KJ04构成的触发电路可输出两个相位差180的触发脉冲，用来控制晶闸管变流装置的上下各

5、一只晶闸管。,KC04工作各点波形,在UT和-15V电源作用下同步单元产生同步脉冲。,UT1低电平作为同步电压的过零标志。,锯齿波发生单元由内部三极管和外部R4、R5、C2和-15V电源组成，在同步脉冲作用下，产生锯齿波电压U4。,锯齿波电压经4脚输出，通过电阻R6、R7、R8和外接的偏移电压UP、移相控制电压UK叠加后由9脚送入移相控制单元。,外接阻容元件R9、C3与内部三极管组成脉冲形成单元电路，产生一个宽度固定的移相脉冲，其脉冲宽度由时间常数R9C3决定。,功率放大单元实现脉冲分选并进行功率放大，在器件的1脚和15脚输出相位差180o的两个驱动脉冲。,在多数晶闸管变流装置中，所产生的脉冲

6、要经光耦或变压器隔离后加到晶闸管门极和阴极之间。,图(a)为输入信号经光耦隔离后的驱动电路，光耦两侧为相互隔离的电源。图(b)为脉冲变压器隔离驱动电路，它不但有隔离作用，也能实现阻抗的匹配。,数字式触发电路 以数字逻辑电路或微处理器为核心的触发脉冲产生电路。,目前多用单片机系统设计，原理如图。,2.1.2 门极可关断晶闸管门极驱动电路（电流驱动型）,GTO的开通控制与普通晶闸管相似。,GTO关断控制需施加负门极电流。,GTO的门极驱动技术关键在于关断。,1.GTO门极驱动特性,（1）GTO门极驱动电路结构,GTO开通时，内部有正反馈过程，开通驱动功率较小；,在关断时，由于关断增益小，门极关断负

7、电流较大，关断电路功率很大；,门极反偏电路为门极提供反偏电压，能起到抗干扰，保证GTO可靠阻断，提高其静态du/dt耐量的作用。,（2）GTO门极驱动信号波形,IGF为开通驱动门极正向直流电流，IGRM为关断驱动门极反向最大电流。,门极开通信号电流波形和门极关断信号电流波形均要求前沿较陡、幅度较高、宽度要够、后沿要缓。,门极关断电流信号脉冲电流的幅度较大，IGRM一般为(1/3-1/5)IATO，与GTO关断增益有关。,GTO门极驱动类型,直接驱动将驱动级的功率放大电路与GTO门极直接相连，信号通过光耦或其它隔离器件送入驱动电路，实现GTO主电路和控制电路的电隔离。,优点：输出驱动脉冲参数调整

8、方便，脉冲波形好，不易产生门极振荡。,缺点：驱动电路必须有独立的与控制系统隔离的工作电源，功率放大元件电流大，功耗大，效率低。,间接驱动将驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连。,优点：不需要独立的电源，利用脉冲变压器的阻抗配合，减小驱动电路中功放元件的电流，同时脉冲变压器还能使GTO主电路与门极控制电路电隔离。,缺点：门极脉冲波形前沿陡度差，前后沿有电压、电流寄生振荡，造成GTO开通、关断不可靠。,GTO门极驱动电路实例,图为脉冲变压器隔离的GTO门极间接驱动开通关断电路。,开通控制电路在开通触发信号作用下使晶体管V1导通，在脉冲变压器T1副边产生感应电压，经VD2二极管和门极串联电阻RG1

9、触发GTO导通。,在关断信号作用下，V2导通，在脉冲变压器T2副边产生反向的感应电压，触发晶闸管VT导通，给GTO门极施加反向电压，强迫GTO关断。,2.1.3 电力晶体管 基极驱动电路（电流驱动全控型）,基极驱动电路对器件工作时集电极电压上升率du/dt、集电极电流上升率di/dt、饱和压降和开关损耗等有着直接影响。,过驱动可以降低饱和压降，减小开通损耗，但对关断不利，使关断时间延长，损耗增大。,理想基极电流波形,GTR开通时,基极驱动电流前沿的短时过冲，对加速开通有利，但导通后应使其工作于准饱和状态，以减少关断时载流子的复合时间。,关断时,提供瞬时的反向基极电流能加速关断过程。关断后，发射

10、结维持一定的负偏压可以防止噪声信号引起的误触发，提高GTR的du/dt耐量。,基极驱动电路的设计原则,为使GTR开通时工作在饱和状态，其基极驱动电流IB与集电极最大电流ICmax满足以下关系：,GTR基极驱动电路,GTR基极驱动电路种类很多，有直接驱动、光耦或脉冲变压器隔离后间接驱动两类。,按驱动电路构成形式可分为分立元件驱动电路、混合微膜组件驱动电路和专用集成驱动电路。,（1）GTR基极隔离驱动电路,图中VD1、VD2、VD3构成抗饱和电路，当GTR集电极电压低时，VD1导通，分走部分基极电流，使GTR工作在临界饱和状态。,驱动信号经光耦隔离后送入功率放大驱动电路，功放采用推拉式互补输出。,

11、当驱动信号高电平时光耦导通，正电源+UCC经R3、R5使V1、V2导通，经R8、V2为GTR提供正向基极电流，使GTR导通。,驱动信号低电平时V1、V2截止，V3经R7、-UCC导通，将发射结反偏，提供反向驱动电流使GTR迅速截止。,（2）集成基极驱动电路,集成基极驱动电路不但驱动电流波形好，而且还有过流保护、电源电压监测以及过热保护等多种保护功能。,UAA4002内部以逻辑处理器为核心，输入接口通过SE端设置，可以接收电平和脉冲两种信号。,输出接口可以提供+0.5A和-3A的驱动电流，该电流可通过外接二极管检测实现自动调节，还可根据需要外接晶体管扩大输出能力。,该芯片保护功能强大，包括集电极

12、电流过流保护、抗饱和、导通时间间隔控制、电源电压监测、延时功能和热保护功能。,例如法国THOMSON公司的UAA4002,2.1.4 电力场效应晶体管栅极驱动电路（电压驱动型）,功率MOSFET为单极型电压控制器件，输入阻抗很高。驱动只需适当的电压信号，驱动电流很小，因此驱动电路简单，功耗很低。,1.功率MOSFET栅极驱动设计原则,栅极开通关断的动态过程中需要提供足够的驱动电流；,应按其容量大小选择驱动电路输出电阻；为了使功率MOSFET可靠饱和导通，驱动脉冲电压应高于管子的开启电压，并在导通过程中保持高电压；为了防止误导通，提高du/dt耐量，在管子截止时最好能提供负的栅源电压。,功率MO

13、SFET栅极驱动电流估算,设功率MOSFET栅源极间电容CGS，栅漏极间电容CGD，器件饱和导通时栅源电压uGS，器件阻断时漏极电压uDS。,要求器件开通时间为ts时，则开通驱动电流为：,要求器件关断时间ts为时，则关断驱动电流为：,功率MOSFET栅极驱动电路,按驱动电路和器件连接方式分为直接驱动和间接驱动两类。,按驱动电路构成有分立元件驱动电路和集成驱动电路。,（1）双电源光耦隔离直接驱动电路,驱动信号高电平经光耦后传入直接驱动电路，通过比较器整形输出低电平，则V2截止，V1导通，+UCC经栅极驱动电阻RG对功率MOSFET栅极电容充电，使其导通。,当驱动信号为低电平时，比较器输出高电平使

14、V2导通，V1截止，栅极电容经驱动电阻RG和二极管对-UCC放电，使功率MOSFET阻断。,功率MOSFET栅极并联电阻R可以提高管子du/dt耐量，驱动信号引出线应尽量短，并采用双绞线方式。,（2）集成驱动器M57918L,集成驱动器M57918L是一种混合集成驱动器，内部由自带光电耦合器的输入级，MOSFET中间放大级，功放输出级电路构成。,2.1.5 绝缘栅双极型晶体管栅极驱动电路（电压驱动型）,多采用专用的混合集成驱动器抗干扰能力强，速度快，保护功能完善。,内部主要由快速光耦隔离、放大电路、功放输出电路、过流保护电路和5V基准电压源几部分组成。,以日本富士公司的EXB系列为例,只需外部

15、提供+20V电源，内部自动产生-5V偏压，通过外接快速二极管VD可实现过流检测，当检测到过流信号后内部可实现慢速关断功能，过流信号也可通过外接光电耦合器送回控制电路。,2.2 电力电子开关器件的缓冲电路,2.2.1 缓冲电路的作用和种类,电力电子开关器件开通时流过电流很大，阻断时承受的电压很高。在电力电子电路中附加各种缓冲电路，可以减小各种应力的影响，可避免器件二次击穿，抑制电磁干扰，提高器件工作的安全可靠性。,按照缓冲电路所起的作用不同，缓冲电路可以分为开通缓冲电路和关断缓冲电路。,开通缓冲电路可以在器件主电路中串入电感来实现，主要防止器件开通时di/dt过大而损坏，也称为串联缓冲电路。,关

16、断缓冲电路主要用来防止器件关断时du/dt过高引起的器件击穿和误触发，通常将RC网络或RCD网络并联在器件主电极两端，也称为并联缓冲电路。,2.2.2 门极可关断晶闸管的缓冲电路,GTO为全控型器件，工作频率比SCR高很多。其缓冲电路不仅要起抑制di/dt和du/dt的作用，同时还要能够减小开通关断损耗，特别是在关断时要起到抑制重加du/dt，防止误触发的作用。,1.缓冲电路的工作原理,开通缓冲电路,关断缓冲电路,缓冲电路参数估算,（1）缓冲电感LK。缓冲电感LK与管子开通时允许承受的di/dt参数和直流电源电压Ud有关，表示为：,（2）缓冲电容CS。缓冲电容CS与主电路分布电感LP和关断时阳

17、极能承受的电压冲击U和阳极电流IA有关，其大小可由下式求得：,（3）缓冲电阻RS。缓冲电阻RS的作用是限制器件开通时缓冲电容的放电电流，但要保证在管子导通时间内将缓冲电容积累的电荷释放干净。其值可由下式估算：,缓冲电阻RS上的功耗与其阻值大小无关，其功率损耗可由下式表示：,（4）阻尼电阻RK。阻尼电阻RK的作用是在器件关断时，将储存在缓冲电感LK中的磁场能消耗掉，其值通常小于缓冲电阻RS，由选定的阻尼系数近似估算：,阻尼电阻RK上消耗的功率为：,缓冲电路的安装工艺,（1）RS、CS、VDS关断缓冲电路应尽量靠近器件的主电极，缩短连接导线，减小引线电感降低尖峰电压Up。,（2）二极管VDS应选用

18、快速二极管，电阻RS宜用无感电阻，电容CS应选用无感电容。,（3）安装时，不应将电容CS置于电阻RS上方，以免工作时电阻发热会影响电容。,（4）缓冲电路元件焊接必须可靠，避免工作时发热引起的脱焊，造成开关元件的损坏。,2.2.3 电力晶体管的缓冲电路,电力晶体管GTR安全工作区较小，存在二次击穿现象。,其缓冲电路同样要起到抑制di/dt和du/dt，改变器件的开关轨迹，减小开关损耗的作用。,图（a）中电感LK起开通缓冲作用，用来限制GTR开通时di/dt，减小开通损耗。,电容CS和快速二极管DS组成关断缓冲电路，限制GTR关断时集电极电压上升率du/dt，减小关断损耗。,电阻RS提供缓冲电容的

19、放电回路。,由图（b）看出，缓冲电路使电压电流不会出现同时达到最大值的情况，降低了开通关断瞬时功耗，避免器件出现二次击穿，可保证GTR工作在安全区内。,2.2.4 功率MOSFET及IGBT缓冲电路,功率MOSFET及IGBT单管缓冲电路结构如图，缓冲电路工作原理与GTO、GTR缓冲电路原理相同。,2.3 电力电子开关器件的保护电路,2.3.1 电力电子开关器件过电压保护,采用缓冲电路能抑制动态过程中的过电压和过电流，减小开关损耗。但稳态时的过电压、过电流和过损耗同样影响开关元件的安全运行。,1.产生过电压的原因,（1）雷击、系统主电源分合闸和高压断路器动作引起的冲击电压，也称浪涌电压，其持续

20、时间一般在几微秒到几毫秒。,（2）变流装置输出侧切断大的感性负载或在大电流下切断，引起输出侧的过电压。,（3）电力电子器件换相时，突变的电流因线路电感和电容的共同作用引起器件两端过电压。,2.过电压的保护,（1）缓冲吸收回路用于吸收频率较高，持续时间很短的过电压。,如在器件主电极上安装缓冲电路，或在变压器二次侧并联RC吸收回路。,（2）稳压元件吸收回路 将稳压管、硒堆或压敏电阻并联在变流装置进线和出线端，利用其击穿后电流大的特点消耗冲击能量。,电压降低后，稳压元件自动恢复高阻状态。,2.3.2 电力电子开关器件过电流保护,1.产生过电流的原因过电流可以分为过载和短路两种情况。,过载的主要原因：

21、负载过载及交流电源电压过高、过低或缺相。,短路过流的主要原因：,（1）变流装置中开关器件损坏、输出端线间短路和输出端对地短路。,（2）驱动电路和控制系统故障引起的驱动信号混乱，使,（3）过电压引起的开关器件击穿造成的电路内部短路。,开关器件一般允许过载时间较长（毫秒级）。短路过流允许时间很短（微秒级）。,变流装置主电路桥臂直通短路。,2.过电流保护的常用方法,电力电子开关器件体积小，热容量小，过电流能力通常较差，当发生过电流时，器件损耗增大使结温迅速升高，因此过电流的保护应从热保护和电保护两方面考虑。,开关器件的过热保护可以利用温度传感器检测器件外壳温度，当过温时封锁器件驱动信号或使主电路跳闸

22、来实现。,这种方法适用于过载水平较低的长期过流情况，对短路过流几乎没有作用。,开关器件的电保护通过检测过流信号直接封锁驱动脉冲或使主电路跳闸。,这种保护方法反应时间最短，尤其适用于工作速度较高的开关器件。,电力电子开关器件的保护还可分为单个器件保护和变流装置保护两种方法。,3.电力电子开关器件的过流保护方法,（1）状态识别过电流保护法 通过识别电力电子开关器件运行中的参数状态，是判断器件是 否过流的最有效方法。,通态压降识别法：各种器件主要用于识别的参数是通态 压降,这种方法对大电流下开关器件的短路保护具有通用性。,缺点：存在“保护盲区”，即在器件开通的瞬间保护电路不能动作，只有器件开通几微秒

23、后，保护电路才投入工作，造成器件短路开通时，电路灵敏度低。,注意,SCR不具有关断能力，而GTO过流后门极负脉冲也不能将其关断，因此通态压降识别法只能用来做SCR和GTO的过流检测，而不能像GTR、功率MOSFET和IGBT那样用门极信号进行关断。,图(a)中，在大电流下通态饱和压降UCE和集电极电流IC近似呈线性关系，识别UCE的大小即可判断其集电极电流的大小。,图(b)为EXB841IGBT专用驱动保护原理电路,过电流保护电路,驱动模块脚外接快速二极管VD与IGBT集电极相连，通过检测UCE电压的高低来判断是否短路过流。,基极电压识别法,当GTR短路下开通时，监测基极电压比监测集电极电压效

24、果要好，更容易快速确认故障。,如图(a)开关器件GTR的基极电压UBE在集电极电流IC较小时变换很快。,图（b）中，UBE随IC的增大而升高，当大于设定的参考电压UR时，比较器输出低电平使功放电路中V2截止，V3导通，关断GTR。,基极电压识别法的缺点：在轻微过载时，灵敏度差。,（2）桥臂互锁保护法,主要用于桥式逆变器中一个桥臂的上下两只开关器件驱动信号的互锁。,可以解决由于驱动脉冲死区时间过短、关断时间过长、驱动信号失误和开关器件损坏所造成的桥臂直通问题。,互锁保护的核心是要检测出上下两只开关器件的开通和关断情况，当一只器件关断时，另外一只才可以触发导通。,当一个桥臂上管子有电流时，通过逻辑

25、电路封锁另一桥臂管子的驱动信号，保证每一时刻只有一只管子导通。,采用桥臂互锁保护法可以提高系统可靠性，还可以对系统进行动态调整，提高其工作速度。,（3）LEM模块检测保护法,LEM模块是一种磁场平衡式电压、电流传感器，也称霍尔元件。能够检测直流、交流和脉冲形式的电压或电流信号，其二次侧输出有电压输出型和电流输出型两种。LEM模块线性度好，安装方便，与被测电路绝缘，是目前变流装置中常用的电流和电压检测元件。,LEM模块内部电路主要由一次侧电路、聚磁环、霍尔传感器、二次绕组和放大电路等组成。,图（b）LEM模块电流检测的一种使用方法。,优点：检测速度快，且与主电路实现电隔离。,（a）,（b）,2.

26、3.3 变流装置的过电流保护,1.快速熔断器保护法,开关元件SCR、GTO有较强的浪涌能力，允许短路时间在毫秒级，其变流装置在一定条件下可用快速熔断器进行保护。,2.快速过流开关保护法,快速熔断器是一种一次性使用保护元件，它的频繁动作将增加系统运行费用。一般可以在快速熔断器保护动作之前设置其它的过电流保护方法。通过检测变流装置电流信号，当电流超过设置的保护电流值时，开关动作，切断输入和输出回路。,3.撬杠保护法,由于GTR、功率MOSFET和IGBT等器件允许短路时间一般在微秒级，动作时间在毫秒级的快速过流开关和快速熔断,器很难对其进行保护。撬杠保护法是常用于GTR、GTO和IGBT中大容量逆

27、变器的非熔断保护方法。,快速熔断器保护法、快速过流开关保护法和撬杠保护法在使用中可以相互结合，通过设定不同的保护动作级别实现分层次保护。,2.3.4 电力电子开关器件使用中的门极保护,当开关器件发生过流损坏后，高压进入门极驱动电路，会引起门极控制低压电路的损坏，通过设置相应的保护电路可以起到保护门极电路的作用。,将快速熔断器串连在门极驱动电路输出端与功率器件控制极之间，当过电流时，门极电路能尽快与器件控制极断开；,在门极电路输出端并联双向稳压二极管，将门极电压钳位在安全电压范围以内。,2.4.1 电力电子开关器件的串联,目的：当单个器件的额定电压达不到实际应用要求时，可以串联。,问题：理想串联

28、希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。,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。,静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。,1.静态均压,静态均压措施：选择特性和参数一致的同型号器件 采用电阻均压，R的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。,（a）,（b）,问题：图（a）为同一型号的两个开关器件阻断状态下的主电极伏安特性曲线，器件串联流过同一电流时，两个器件所承受的电压U1和U2差别很大，存在严重的电压不均现象。,解决：图（b）在串联器件上并联一定数值的电阻R，当均压电阻R远小于开关器件阻断电阻时，串联元件电压由电阻分压

29、决定，只要电阻R的阻值相同，各器件上承受的电压相同，起到均衡电压的作用。,电阻R的阻值越小，均压效果越好，但电阻的功率也越大，选择电阻R应从阻值和功耗两方面同时考虑。,动态均压,动态均压措施：,采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。,在串联支路引入电感L，串联的器件上并联RC网络或RCD网络。,选择动态参数和特性尽量一致的器件。,可以采用如图所示电路。,2.4.2 电力电子开关器件的并联,目的：由于额定电流达不到实际使用要求，可以并联。但有时为了减小di/dt和开关损耗，也可将同型号开关器件并联使用。,问题：受器件通态电压、通态电阻、开通关断延迟时间和电路结构的影响，开关器件工作中

30、存在着电流分配不均的问题。使用中要解决静态和动态均流的问题。,静态均流各并联元件导通时，电流分配的均衡问题，主要受器件通态伏安特性的影响。,器件并联时，其通态压降一致，但由于伏安特性的差别，通态电阻不同，使流过器件的电流不一样。通态电阻越小，流过的电流越大，就有可能造成器件过流损坏。,静态均流措施：首先要选用特性和参数相近的同型号开关元件并联。,动态均流器件开通、关断及发生过载时并联器件之间的均流问题。,常用串联电阻、串联电抗器和串联耦合电抗器等方法，如图。,静态均流措施：在各开关器件支路中串联均流电抗器，如上图（b）。采用图(c)所示的串联耦合电抗器均流方法，可提高器件导通期间的均流效果。采

31、用门极强触发，缩短器件开通、关断时间，也是解决动态均流问题的一种辅助方法。,电路结构对并联均流的影响在变流装置需要同时采取器件串联和并联时、通常采用先串联后并联的连接方法。,其次可以采用强迫均流法使并联器件电流达到均衡。,2.4.3 电力电子开关器件串并联运行特点,1.GTO串并联运行特点,与SCR不同，GTO通常采用RCD缓冲电路。,在GTO动态均压过程中，由于失配电压中没有了原来并联均压电阻上的电压突变分量，开关过程中，均压效果比SCR要好，失配电压较小。缓冲电容越大，开关延迟时间越小，动态均压效果越好。,GTO串联运行时,电感L为动态均压电感，R11R22既是静态均压电阻，同时又是动态缓

32、冲电阻。,GTO并联运行时,与SCR一样，可以采用强迫均流方法实现静态和动态均流。,针对GTO自关断快速的特点，并联均流要注意以下几点：,（1）GTO并联支路中电流不能超过最大可关断阳极电流限制，否则门极无法关断。,（2）GTO并联既要均流，又要均热。其多元集成结构要求开关损耗均衡分布，否则由于局部过热，损坏器件。,（3）GTO的快速大功率特点要求其并联电路结构对称，阴极连线等长且越短越好。,GTO开通和关断延迟时间与门极驱动电路形式有密切关系，门极的耦合方式对均流效果有很大影响。,2.GTR串并联运行特点,GTR串联运行时：其静态和动态均压特点与常规均压方式几乎一样。,GTR并联运行时：相关

33、参数特点决定其静态和动态均流有着自身独特之处。,基-射极电压UBE随集电极电流IC增大而增加。采用基极直接耦合方式可使并联的两只GTR静态电流向均衡发展。,要选用导通压降和值相近的GTR并联。,通过电路结构的改进，也可以达到并联均流的运行效果。,通常选用有辅助基极端子的达林顿GTR，将辅助基极也连接在一起，使前后段各单体GTR也并联运行。,3.功率MOSFET串并联运行特点,功率MOSFET的串联均压方法与其它开关器件的均压方法相同。,功率MOSFET通态电阻 RDS具有正温度系数，具有自动均流的特性，容易并联。,跨导gm是反映功率MOSFET栅极电压对漏极电流控制能力的参数，并联器件跨导的一

34、致性越好，动态均流效果越好。,采用栅极非直接耦合的驱动方式，并在功率MOSFET源极串入小的电感，能使动态均流达到较好的效果。,应用时要注意保证各元件的结温差要小，使并联元件之间热耦合要紧密，一般安装在同一块散热器上可以达到较好的效果。,2.5 电力电子开关器件的散热,2.5.1 散热原理,电力电子器件在工作状态下要产生功率损耗，耗散功率转变成热量使管芯发热、结温升高。必须通过周围环境散热，相应的散热措施应保证器件的结温不超过最高允许的结温，否则结温过高时会造成器件热击穿而损坏。,耗散功耗P为热流，对应电流；温度差T对应电压，热阻R与电阻对应，三者之间关系既为热路欧姆定律：,器件散热热阻由3部

35、分组成，结壳热阻Rjc，接触热阻Rcs，散热器热阻Rsa。器件总热阻Rja为：,上两式只能用来描述器件热稳定时耗散功率、温升、热阻之间的关系，用于长期稳定运行的设备中进行器件与散热器的热设计计算。当器件没有达到热稳定时，必须采用瞬态热阻抗来描述。,注意,接触热阻Rcs和散热器热阻Rsa称外热阻。外热阻越小，器件散热效果越好。,1.热路与热阻,热路电力电子半导体器件内热量传导的路线。,瞬态热阻抗与热阻,瞬态热阻抗Z是器件导通时间tp和负载功率占空比的函数，它与结壳热阻Rjc之间关系为：,式中，=tp/T。r(tp)为热阻抗曲线。,瞬态热阻抗一般用于冲击负载下的器件和散热器热设计计算。当开关频率高

36、于几百Hz，开通时间大于几ms时，用稳态热阻计算即可。,2.5.2 散热措施与散热设计,开关器件散热设计是为了限制结温。由于器件选定后，内热阻通常不变，因此热设计只能在外热阻上采取办法。,1.影响接触热阻Rcs的因素,（1）电力电子器件封装形式不同，接触热阻不同。一般非绝缘型器件接触热阻较小。（2）接触热阻还与器件和散热器之间有无绝缘垫层、垫层材料和是否涂有导热硅油等因素有关，加入绝缘垫层会使接触热阻增大，当涂有导热硅油时，接触热阻明显降低。（3）器件与散热器接触面安装压力加大，接触面增大，接触热阻减小。有些器件手册上给出器件需要的安装力矩。（4）接触面光洁度、平整度越高，接触热阻越小。有时需

37、要进行抛光和加镀层处理。,尽量减小接触热阻Rcs和散热器热阻Rs a。,2.影响散热器热阻Rsa的因素,散热器热阻是散热器到外界环境的热阻，与散热器的结构、材质、表面颜色、安装方向和外界环境冷却方式有关。,散热器外形结构：多种多样，比较常用的有平板形、叉指形、型材形和插片式铝板散热器。,散热器材质及表面颜色：多为铜材和铝材，表面经过涂漆或钝化处理，以提高辐射系数，一般黑色散热器比光亮散热器热阻小。,散热器安装方向：自然冷却散热器一般垂直安放，能形成“烟囱效应”便于散热，同时可以减小热阻。,散热器常用冷却方式：自冷、风冷、液冷和沸腾冷。,小容量系统一般采用自然冷却方式；中大容量装置采用风冷方式；

38、超大容量装置采用水冷方式和沸腾冷却方式。,3.散热设计,散热设计主要是根据选定器件的额定参数和工作特性，在其典型工作状态下计算不使结温超过允许额定结温所需要的接触热阻和散热器热阻，通过热阻计算来合理的选择和安装散热器。,已知器件耗散功率为P，结壳热阻Rjc，接触热阻Rcs，,由,得：,若工作条件为冲击负载条件，式中结壳热阻Rjc应用瞬态热阻抗Z代替计算。,例2.1 工作在感性负载下的小功率GTR，工作电流IC=10A，工作电压UCE=100V；开关频率fs=10KHZ，占空比D=0.9，通态电压UCES=1V，开通时间ton=1s，关断时间toff=2s；结壳热阻Rjc=0.7/W。计算当环境

39、温度Ta=35，结温不超过125 时，GTR直接与散热器装配时散热器的热阻。,解（1）计算器件总功率损耗，由通态损耗和开关损耗两部分构成,通态损耗PC,开关损耗PS,总功率损耗,（2）计算散热器热阻,根据此值，可选择相应的标准散热器产品。,本章总结,器件的串并联可以使变流装置容量大大提高。,主要内容：讨论电力电子开关器件的驱动电路、缓冲电路和保护电路，还介绍了开关器件的串并联技术和散热技术。,驱动电路分为电压型驱动电路和电流型驱动电路，电压型驱动电路体积小、功耗低、电路简单。集成驱动电路性能优良，应用广泛。,缓冲电路是器件正常工作的保障，用来抑制器件开通和关断时和，还能减小开通和关断损耗，将器件运行时电压、电流限制在安全区范围以内。,开关器件的保护分为过电压保护、过电流保护和热保护，将过流保护功能和驱动电路结合，能够实现器件过流保护的快速性。将LEM模块拥有电压和电流的检测，其检测速度快、隔离性能好。,散热是保障器件运行安全的必要手段。,