浙大电力电子技术课件02功率半导体器件的驱动与保护

-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护1脉冲变压器一、晶闸管的驱动与保护1.晶闸管触发电路的基本要求（1）形式脉冲（2）功率和脉宽UGT，IGT（3）强触发（4）同步及移相范围（5）隔离输出脉冲方式及抗干扰能力第二章功率半导体器件的驱动与保护-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护22.锯齿波同步移相触发电路构成：同步检测锯齿波形成移相控制脉冲形成和放大双脉冲形成强触发-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护3（1）同步检测和锯齿波形成环节同步检测锯齿波形成-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护41）同步检测uTB由“+”变为“-”VT2截止，C2充电，锯齿波形成(宽度为VT2的截止时间)负半周下降段：VD1通，C1充电，上(-)下(+)，O接地，R负电位，Q也为负电位，VT2反偏截止，C1不能经VD1放电。负半周上降段：+15V经R1给C1充电，uQ为C1反向充电波形，上升速度比R点同步电压慢，故VD1截止，Q点电位1.4V时，VT2通，uQ钳制在1.4VuTB相位与主电路相位一致，故可实现同步。-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护5tICdtICidtCuCCC12122111uC=ub3为锯齿波上升段，调RP1→IC1变化→锯齿波斜率变化VT3的ue3与ub3差一PN结电压R4较小，C2通过R4、VT2很快放电，形成锯齿波下降段2）锯齿波形成由VW、RP1、R3、VT1、VT2、VT3、C2等组成。VT2截止时：恒流IC1对C2充电，uC线性增长VT2饱和导通：-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护6（2）移相控制环节利用叠加原理，考虑三个电压作用：uT锯齿波电压uK控制电压uP初始调整电压(负电压)-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护778678'TTRRuuRRR并并68768'KKRRuuRRR并并67867'PPRRuuRRR并并444444'''bTKPbbebebebeuuuuIRRRRuP的作用：uK=0时，改变uP的大小，VT4开始导通的时刻也随之改变。uK的作用：uP调好后固定不动，改变uK即可改变输出脉冲相位。-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护8由VT4、VT5、C3等组成脉冲形成环节，由VT8、VT7等组成放大环节。（3）脉冲形成和放大环节-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护9ub40V时，VT4截止：+15V通过R11向VT5提供足够大的基极电流，VT5饱和导通(VT6也饱和导通)故uC5为-15V，VT7、VT8截止，无输出，C3经R9、VT5、VT6充电至30V，左(+)右(-)ub4=0.7V时，VT4导通：“A”点电位为1V，uC3不突变，ub5由-15V降至-30V，VT5截止，uC5由-15V升至2.1V(VD6、VT7、VT8压降)，VT7、VT8导通，输出脉冲VT4导通时，C3经+15V、R11、VD4、VT4反向充电，使：ub5(-30V→大于-15V)→VT5重新导通→uC5(2.1V→-15V)→VT7、VT8截止,无脉冲VT4导通时刻为脉冲发出时刻VT5持续截止时间为脉冲宽度(与C3反向充电时间常数R11、C3有关)-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护10（4）强触发环节VT8导通，C6经TP、R16(并)C5迅速放电，R小，放电很快，当uB+15V时，VD15导通，将B点电位钳制在+15V左右。VT8导通前，+50V电源通过R15向C6充电至+50V。-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护11（5）双窄脉冲形成电路VT5、VT6组成“或”门电路，无论那个截止都会使VT7、VT8导通。VT4通，送下降沿信号VT5截止VT7、VT8导通输出第1个脉冲。60º后，由2号送出本身第1个脉冲，同时给1号补上第2个脉冲。-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护12双脉冲电路接线图-电力电子技术-第5学时第2章第1节驱动与保护13集成触发电路KC04(KJ004):锯齿波同步移相触发电路KC41(KJ041):双脉冲形成电路KC42(KJ042):脉冲列调制电路结束-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护14（1）晶闸管的串联元件电压等级不满足实际要求正反向阻断特性不同时，通过相同电流，各元件受压大不相同3.晶闸管的串、并联与保护-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护15均压措施：1)选择特性较一致的元器件2)并电阻，Rj阻断电阻DRMRjIUR25.0~1.0jsmRjRjRnUKP12-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护16瞬态均压：考虑结电容，触发特性，导通、关断时间，加RC阻容(R防止di/dt过大)2~30.8~0.9mRsUUn0.8~0.9：考虑电压分配不均，降压(10~20)%使用-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护17（2）晶闸管的并联均流问题-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护181）电阻均流适用小容量元件并联，不能动态均流2）电感均流动态均流作用特点：损耗小，适合大容量元件并联，有动态作用；体积大，绕制困难1.5~21.570.8~0.9TTAVpIIn-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护19进行过压、过流保护的必要性过电压类型：操作过电压：拉合闸、器件关断引起浪涌电压：雷击等引起，由电网进入装置(3)过电压保护-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护20-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护21-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护22-电力电子技术-第6学时第2章第2节晶闸管的串、并联与保护23过电压保护方法：结束-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护24过电压保护方法：-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护251)用避雷器防止雷击过电压损坏元件2)三相变压器星形中点通过电容接地，或次级绕组并联电容，以防止原边合闸而将高压耦合至副边，也可在原副边间加屏蔽层（无电容）。三相时的情况：单相时的情况：-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护263)RC抑制空载原边拉闸时的过电压i0最大时拉闸，Lm储存能量为：20)2(21ILWmmLm储存能量全由C吸收：221cmmCUW-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护27(a)阻容保护单相三相（Y，△均可）整流式4)阻容保护与非线性电阻保护-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护28三相：单相三相，次级Y连接次级△连接阻容Y△Y△CRCRC/33R3CR/3CRYRR33YCCR、C的计算：单相：见P.67-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护29(b)非线性电阻保护压敏电阻：压敏电阻的伏安特性：正常工作：漏电流小，损耗小过压时：IY达数千安培，击穿时动态电阻很小，允许浪涌电流大，抑制过压能力强，时间短。接法与阻容同主要参数：①额定电压：U1mA②残压比：UY/U1mA（小：灵敏；大：不灵）UY：放电电流达到IY时的电压③通流容量在规定波形下（10μS（前沿），波长20μS）允许通过的浪涌峰值电流-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护30载流子很快消失，dia/dt很大，则LBdia/dt也很大，与电源电压顺串反向加在元件上。元件两端并阻容5)直流侧保护方法与交流侧相同6)主电路元件保护关断过电压t1~t2：关断时，残存大量载流子t2~t3：反压作用，形成反向电流-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护31①交流侧电流有效值元件电流②能保护元件③仅对负载短路等起作用(4)过电流保护原因：过载，直流侧短路，触发，控制电路故障，环流，逆变失败保护：1)交流进线电抗器，限制短路电流2)电流检测，用过流信号控制触发电路或接触器3)直流快速开关4)快熔-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护32选用原则：①额定电压大于线路正常工作电压②熔体额定电流（有效值）被保护元件对应电流有效值实际电流ITTKRAVTIII)(57.1③熔断器插入式，大容量；螺旋式，小容量(5)电压及电流上升率限制1)du/dt的限制uAK增加，结电容中i增加,i=Cdu/dt，产生误导通需加阻容限制-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护33(a)交流侧du/dt的限制由整流变压器(或LT进线电抗)与阻容形成滤波环节，使过压衰减。(b)元件换流时du/dt的限制换流重迭，元件电压出现换相缺口换流引起的du/dt0，数值较大，会引起误导通。串空芯电抗LS，利用R、C、LS串联谐振特性，使元件电压波形缺口变平，使du/dt下降。LS-电力电子技术-第7学时第2章第3节晶闸管的保护342)di/dt的限制电流密度过大而烧毁产生原因：①换流电流增长过快②直流侧阻容中电容过大，电容充、放电电流③元件并联的阻容在元件导通时的放电电流④并联元件先通者di/dt较大限制方法:①加进线电抗器②桥臂串电感(可限制1、2、3引起的di/dt)③采用整流式阻容保护-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护351.大功率晶体管的驱动(1)驱动电路的基本要求1)GTR导通期间，要保证GTR随时处于准饱和工作状态；关断时，基极能迅速加上足够大的基极反偏电压；保证快速开关。2)与逻辑电路、控制电路电气隔离。光电隔离、变压器隔离；3)基极驱动电路应有足够的保护功能，防止GTR过流或进入放大区工作。二、电流型全控型器件的驱动-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护36理想的基极驱动电流波形和集电极电流波形-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护37GTR通，如VD1正偏132132DDDbeceDceDDbeUUUUUUUUUU则：Uce＝1.4V（准饱和）VD1：溢流阀作用，过量基极驱动电流不进入基极；变VD2，VD3（电位补偿二极管）数，可变饱和度；VD4使GTR关断时反向偏置有通路。（2）抗饱和电路（贝克钳位电路）GTR输出特性-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护38（3）具体驱动电路电力电子技术与运动控制技术实验装置-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护39三、电压型全控型器件的驱动1.功率场效应晶体管的驱动（1）驱动电路-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护40（2）专用驱动集成电路IR2110-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护412.IGBT的驱动(1)驱动电路的基本要求：1)充分陡的脉冲上升沿和下降沿；2)足够大的驱动功率；3)合适的正向驱动电压；4)合适的反偏压；5)驱动电路与控制电路在电位上隔离。-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护42-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护43（2）集成栅极驱动电路EXB系列标准型：EXB850(851)高速型：EXB840(841)-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护四、全控型器件的保护1.大功率晶体管GTR的保护(1)过流保护受冲击能力差，快熔不起作用，GTR可能先行烧毁。利用电子开关，进行过流保护保护的实现原则：提前撤去基极驱动信号，施加反向偏置关键：对过流的有效和及时的检测44-电力电子技术-第8学时第2章第4节全控型器件的驱动与保护要求工作在临界(准)饱和区工作点A(Uceg，Icg)测：IC，误差ΔIC，到IC+ΔIC才动作21:AAIIUUUUAAcgccegcecece）（：测，已为放大区如Ib减少ΔIb测Ic-：A→A3放大区测Uce：A→A4准饱和区GTR输出特性过流保护可检测：集电极电流Ic通态电压Uc