电力电子器件保护.

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（SnubberCircuit）1.7过电压的产生及过电压保护1.电力电子装置过电压1.7.11)过电压原因•外因过电压(1)操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2)雷击过电压：由雷击引起一、二次绕组间存在分布电容，一次侧合闸瞬间，高压通过分布电容耦合到二次侧，使二次侧出现过电压。突然断开一次侧开关，产生很大的感应电动势，二次侧感应出市电压。其它设备分断时，变压器漏抗和线路分布电感形成过电压，施加于晶闸管。(1)换相过电压(2)关断过电压原因:线路电感→晶闸管(或与全控型器件反并联的二极管)在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小→两端感应出高电压。原因:全控型器件关断时，正向电流迅速降低→线路电感→器件两端感应出的过电压。电力电子装置内部器件的开关过程引起•内因过电压2.过电压保护措施S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容过电压的产生及过电压保护1.7.1RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路•RC3和RCD→抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路1)常用保护电路2)RC过电压抑制电路联结方式+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1-35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRaRC过电压抑制电路联结方式过电压的产生及过电压保护1.7.1说明:RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。3)其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压•大容量电力电子装置可采用下图所示的反向阻断式RC电路电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C2反向阻断式过电压抑制用RC电路•保护电路参数计算可参考相关工程手册过电压的产生及过电压保护1.7.1过电流保护1.过电流形式—过载和短路1.7.2电网电压波动过大；内部管子损坏或触发电路故障，引起两相短路；整流电路直流侧出现短路、逆变失败引起短路；环流过大、控制系统故障。过电流原因举例过电流保护负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37过电流保护措施及配置位置1.7.22.常用保护措施1)快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。选择快熔原则：(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I2t值应小于被保护器件的允许I2t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。过电流保护1.7.23)同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。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。2)过电流保护电子电路用电子电路进行过电流保护→响应快。适应: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),缓冲电路（SnubberCircuit）1.缓冲电路(吸收电路)作用1.7.31)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。。抑制器件的内因过电压、dv/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。2.缓冲电路类型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4)其他分类法：关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合3.缓冲电路作用分析•无缓冲电路影响V开通时电流迅速上升,di/dt很大关断时du/dt很大,产生高过电压a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）1)RCD缓冲电路•缓冲电路作用a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiCdi/dt抑制电路和缓冲电路（SnubberCircuit）1.7.3V开通时:Cs经Rs向V放电→加快V开通Li作用→iC上升速度减慢。V关断时：负载电流通过VDs经Cs分流→流过V电流减少→抑制了du/dt和过电压。•RCD缓冲电路另一接法(用于中大容量器件)L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDsRCD吸收电路2)RC吸收电路(主要用于小容量器件)L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDsRC吸收电路4.缓冲电路中的元件选择要求•Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册。•VDs快恢复二极管，额定电流≮主电路器件的1/10。•尽量减小线路电感，用内部电感小的吸收电容。•中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧du/dt抑制电路。•对IGBT可以仅并联一个吸收电容。•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。缓冲电路（SnubberCircuit）1.7.3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晶闸管的串联目的:当晶闸管额定电压小于要求时→串联解决1.8.1问题:要求器件均压→特性分散性→器件电压分配不均匀1)失控:承受电压高的器件先达到转折电压而导通→另一个器件承担全部电压也导通2)反向击穿:承受反压高器件先击穿→另一个随之击穿1.概述2.不均压影响3.静态均压措施b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2a)伏安特性差异b)串联均压措施晶闸管的串联1.8.1•选用参数和特性尽量一致的器件•均压电阻阻值应远小于器件阻断时的正、反向电阻晶闸管的并联1)目的：多个器件并联来承担较大的电流1.8.22)问题：静态和动态特性参数差异→电流分配不均匀2.均流措施•选用特性参数尽量一致的器件•采用均流电抗器•用门极强脉冲触发也有助于动态均流•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方法1.概述电力MOSFET和IGBT并联运行的特点3.电力MOSFET并联运行的特点1.8.3•Ron具有正温度系数,具有电流自动均衡的能力,容易并联•选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联电路走线和布局应尽量对称•在源极电路中串入小电感→均流电抗器作用4.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。•在上述区段具有正温度系数→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1.主要内容MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（（图1-42GTR2.电力电子器件类型电力电子器件分类“树”•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等•电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用•单极型：电力MOSFET和SIT•双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH•复合型：IGBT和MCT•电压驱动型本章小结电流驱动型特点：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高.特点：具有电导调制效应→通态压降低→导通损耗小工作频率较低，驱动功率大，驱动电路较复杂.当前技术状况•IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.4kA/6.5kV150KHZ，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO.•GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kA/6kV。•光控晶闸管：功率更大场合，3.5kA/8kV，装置最高达300MVA，容量最大(8KA/12KV).•电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固.本章小结