第2章_电力电子器件(2.4)

2.6电力电子器件的保护过压保护过流保护缓冲电路器件温度控制2.6.1过电压保护开关操作导致电感电流急剧变化从而容易产生很高的感应电压■过电压分为外因过电压和内因过电压两类。■外因过电压：雷击和系统中的操作过程等，包括◆操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。◆雷击过电压：由雷击引起的过电压。■内因过电压：电力电子装置内部器件的开关过程，包括◆换相过电压：器件在换相结束后，反向电流急剧减小，因线路电感在器件两端感应过电压。◆关断过电压：全控型器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应过电压。过电压抑制措施及配置位置C：静电感应过电压抑制电容RC1/RC2：浪涌过电压抑制用RC电路RCD：开关器件关断过电压抑制用RCD电路F：避雷器(过电压保护器)RV：压敏电阻(过电压抑制器)D：变压器静电屏蔽层2.6.2过电流保护过电流原因过载：负载过重。短路：电力电子变换装置内部故障引起。过电流保护电路分类限流型:不允许电源变换装置断电时，须按限流型设计—限流功能通常利用闭环控制原理实现。截止型:当检测到过流信号时直接关闭主开关器件，停止变流装置工作。过电流检测装置交流过流：电流互感器，霍尔电流检测器件检测速度快，线性好，电流互感器较霍尔器件更经济。直流过流：电流分流器，霍尔电流检测器件过电流保护措施电子电路保护快速熔断器直流快速断路器过电流继电器2.6.2过电流保护6/26■过电流保护措施及其配置位置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。典型的过流保护措施及保护配置7/26过电流保护◆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，以提高保护可靠性◆对重要的且易发生短路的晶闸管设备或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。◆常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，器件对电流的响应是最快的。I2I22.6.3缓冲电路■缓冲电路（SnubberCircuit）又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。■分类关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路，用于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。开通缓冲电路：又称为di/dt抑制电路，用于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：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合一起。1)串联电感开通缓冲电路无开通缓冲电路开通时电流上升率di/dt较大1)串联电感开通缓冲电路有串联电感缓冲电路开通时电感限制电流上升率di/dt关断时释放电感能量，L不能太大2)RCD关断缓冲电路设负载L上电流基本不变无RCD缓冲电路波形关断时负载电感产生反电动势，VD导通，uCE承受电源电压电压上升率du/dt过大2)RCD关断缓冲电路有RCD缓冲电路波形关断时电容充电过程限制电压上升率du/dtVT导通时R限制电容放电电流，VT关断时D旁路电阻R，提高缓冲能力2)RCD关断缓冲电路有RCD缓冲电路波形14/26缓冲电路b)tuCEiCOdidt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiCADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO关断时的负载线图15/26缓冲电路注意事项线路电感存在使得电力电子装置关断时产生过电压，因此设计和制造过程中应特别注意减少线路电感。全控型器件多用在高频开关电路中，缓冲电路所用的二极管应采用快恢复二极管，额定电流应不小于主电路器件电流的1/10。晶闸管没有关断过电压，一般采用RC吸收电路即可。16/262.6.5电力电子器件的串联使用和并联使用对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。晶闸管的串联晶闸管的并联晶闸管的串联目的：当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。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。*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。*动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异（如开关速度）造成的不均压问题。晶闸管的串联晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施■静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件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。■动态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件用RC并联支路做动态均压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。晶闸管的并联■目的：大功率晶闸管装置中，常用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：挑选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。电力MOSFET并联运行◆Ron具有正温度系数，电流能自动均衡，容易并联。◆应选用Ron、UT、Gfs和输入电容Ciss尽量相近的器件并联。◆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。IGBT并联运行◆在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数；在以上的区段则具有正温度系数.具有一定的电流自动均衡能力，易于并联使用。◆在器件参数和特性选择、电路布局和走线、散热条件等方面也应尽量一致。本章小结掌握电力电子器件的分类及各类的典型代表。掌握典型电力电子器件的开通和截止方式，会分析开通和关断原理。掌握典型电力电子器件特性，应用场合。理解各种电力电子器件的静态和动态特性，典型参数，会根据实际应用选取合适的器件。电力电子器件家族“树”电力电子器件类型分类：单极型：电力MOSFET双极型：电力二极管，晶闸管，GTO，GTR复合型：IGBT电力电子器件类型电压驱动型：单极型器件和复合型器件，如MOSFET,IGBT。特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型：双极型器件中除SITH外,如GTO,GTR，晶闸管。特点：通态压降低，导通损耗小，但工作频率低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。器件比较器件优点缺点IGBT开关速度较高,开关损耗小,具有耐脉冲电流冲击的能力,通态电压较低,输入阻抗高,驱动功率小开关速度低于MOSFET,电压和电流容量不及GTOGTR电流大,通流能力强,饱和电压降低开关速度低,电流驱动,所需驱动功率大,驱动电路复杂,存在二次击穿问题GTO电压和电流容量大,适合大功率场合,具有电导调制效应,通流能力很强电流关断增益很小,关断时门极负脉冲电流很大,开关速度低,驱动功率大,驱动电路复杂,开关频率低电力MOSFET开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小且驱动电路简单,工作频率高,不存在二次击穿问题电流容量小,耐压低,一般只适于功率较小的电力电子装置.当前格局IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA,兆瓦以下首选。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA光控晶闸管：功率更大，8kV/3.5KA,装置最高达300MV.A,容量最大电力MOSFET：主要在中小功率领域功率模块和功率集成电路：发展趋势电力电子器件应用领域示意图思考作业1.晶闸管正常开通和关断条件各是什么？2.GTO和普通晶闸管结构有什么不同？为什么GTO能够具有自关断能力？3.功率MOSFET与IGBT均为电压驱动器件,其驱动电路是否需要提供驱动电流及驱动功率?各有何特点？4.按照特性不同,二极管可分为哪几种类型?各自应用在什么场合?5.为什么要对电力电子器件进行保护？说明采用电子电路进行过电流保护的方案。6.缓冲电路的作用？关断缓冲电路与开通缓冲电路在电路形式上的区别？各自功能是什么？