电力电子第9章电力电子器件应用的共性问题.ppt

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1、第9章 电力电子器件应用的共性问题 9.1 电力电子器件的驱动 9.2 电力电子器件的保护 9.3 电力电子器件的串联使用和并联使用,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述 9.1.2 晶闸管的触发电路 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,9.1 电力电子器件的驱动,驱动电路主电路与控制电路之间的接口，使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，提高装置的运行效率、可靠性和安全性,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,1、驱动电路的基本任务,1）将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其 开通或关断的信号,2）驱动电路还要提供控

2、制电路与主电路之间的电气隔离 环节，一般采用光隔离或磁隔离,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,3）对器件或整个装置的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,光隔离一般采用光耦合器 光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。有普通、高速和高传输比三种类型。磁隔离的元件通常是脉冲变压器 当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法。,图9-1 光耦合器的类型及接法a)普通型 b)高速型 c)高传输比型,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,电流驱动型：GTO、GTR,电压驱动型：MOSFET、IGBT,3、驱动电路的发展趋势,分立元件专用集成驱动电路,

3、2、驱动电路的分类,晶闸管的驱动电路常称为触发电路,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,晶闸管的触发电路 作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。,9.1.2 晶闸管的触发电路,图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,1、触发电路应满足下列要求 1）宽度保证晶闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发。2)有足够的幅度，寒冷场合，幅度应增大为

4、器件最大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12A/s。3）触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。4)有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,9.1.2 晶闸管的触发电路,t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,2、理想的触发脉冲电流波形,9.1.2 晶闸管的触发电路,由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉

5、冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。,9.1.2 晶闸管的触发电路,3、常见的晶闸管触发电路,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,对触发脉冲的要求：,开通：与SCR相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流,关断：关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,推荐的门极电压电流波形：,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,9.1.3 典型全控型器件的

6、驱动电路,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,两种类型：,脉冲变压器耦合式：,直接耦合式：,能电气隔离，但变压器漏感使输出脉冲陡度受限，且其寄生L和C易出现寄生振荡和干扰,可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但功耗大，效率较低,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,典型直接耦合式GTO驱动电路：,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,1、电流驱动型器件的驱动电路,2）GTR,对触发脉冲的要求：,开通：开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之 正向压降较低又有利于关断,关断：关断时，施加一定的负基极电流

7、有利于减小关断时间和关断损耗，关断后应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,理想的基极驱动电流波形：,1、电流驱动型器件的驱动电路,2）GTR,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,抗饱和电路（贝克箝位电路）：由箝位二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成,加速电容C2：为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路，可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,GTR的一种驱动电路,1）电力MOSFET对触发脉冲的要求,栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小,使MOSFET

8、开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般1520V,关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗,在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,2、电压驱动型器件的驱动电路,2、电压驱动型器件的驱动电路,2）MOSFET的一种驱动电路,无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱 动电压 当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,专为驱动MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918

9、L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。）。,2、电压驱动型器件的驱动电路,3）IGBT驱动电路,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,多采用专用的混合集成驱动器，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）。,M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,9.2.1 过电压的产生及过电压保护 9.2.2 过电流保护 9.2.3 缓冲电路,9.2 电力电子器件的保护,1、电力电子装置可能的过电压原因,外因过电压：,(1)操作过电压：

10、由分闸、合闸等开关操作引起(2)雷击过电压：由雷击引起,内因过电压：,换相过电压：由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由线路电感在器件两端感应出的过电压,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,2、过电压保护措施及配置位置,各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。RC3和RCD为抑制内因过电压的措施。,2、过电压保护措施,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相,反向阻断式过电压抑制用RC电路,抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路。对大容量的电力电子装置，可采用图9-

11、12所示的反向阻断式RC电路。采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。,9.2.2 过电流保护,过电流分过载和短路两种情况。过电流保护措施及其配置位置 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施，一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。通常，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的保护，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。,快速熔断器,电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施,快熔对器件的保护方式分两种：全保护和

12、短路保护,全保护：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,9.2.2 过电流保护,作用：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗,分类：,关断缓冲电路（du/dt抑制电路、缓冲电路）吸收器件关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗开通缓冲电路（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,9.2.3 缓冲电路,按储能元件情况分类：,耗能式缓冲电路：电路中储能元件的能量消耗在吸收电阻上,馈能

13、式缓冲电路：电路中储能元件的能量回馈给负载或电源,9.2.3 缓冲电路,常用缓冲电路di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路,用于中等容量器件,9.2.3 缓冲电路,常用缓冲电路di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路,无缓冲电路：V开通时电流迅速上升，di/dt很大 关断时du/dt很大，并出现很高的过电压,9.2.3 缓冲电路,常用缓冲电路di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路,有缓冲电路：V开通时：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；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,9.2.3 缓冲电路,关断时

14、的负载曲线,无缓冲电路时：uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C 有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C,9.2.3 缓冲电路,另外两种缓冲电路,RC吸收电路 用于小容量器件,放电阻止型RCD吸收电路 用于中或大容量器件,9.2.3 缓冲电路,当单个器件的电压或电流定额不能满足要求时，需将器件串联或并联或者将装置串联或并联。,9.3 电力电子器件的串联使用和并联使用,目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以同型号器件串联,问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀,1、静态不均压

15、问题,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,9.3.1 晶闸管的串联,后果：承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，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,9.3.1 晶闸管的串联,静态均压措施：,1）选用参数和特性尽量一致的器件2）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,9.3.1 晶闸管的串联,2、动态不均压问题,由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压,9.3.1 晶闸管的串联,动态均压措施：,1）选择动态参数和特性尽量一致的器件 2）用RC并联支路作动态均压3）采用门极

16、强脉冲触发可以显著减小器件开通时间 上 的差异,9.3.1 晶闸管的串联,目的：多个器件并联来承担较大的电流,问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配 不均匀,均流措施：,1）挑选特性参数尽量一致的器件2）采用均流电抗器3）用门极强脉冲触发也有助于动态均流4）当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并 的方法联接,9.3.2 晶闸管的并联,电力MOSFET并联运行的特点,1）Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联2）注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联3）电路走线和布局应尽量对称4）可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用,IGBT并联运行的特点,1)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2)在1/2或1/3额定电流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,9.3.3 电力MOSFET的并联和IGBT的并联,