浙大 电力电子技术第二章

第二章功率半导体器件的驱动与保护2.1晶闸管的驱动与保护2.2电流型自关断器件的驱动2.3电压型自关断器件的驱动2.4自关断器件的保护晶闸管的驱动与保护晶闸管的触发电路1、触发脉冲要求1)触发信号可以是交流，直流或者脉冲形式2)触发脉冲信号应有一定的功率和宽度3)为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲4)触发脉冲的同步及移相范围5)隔离输出方式及抗干扰能力晶闸管的驱动与保护单结晶体管移相触发电路一、单结（双基极）晶体管的结构与特征1、结构基区电阻Rbb=Rb1+Rb2；Rb1随Ie而变化晶闸管的驱动与保护2、实验电路(1)e极开路:1bAbbbbbbRUUUR(2)e-b1间加Ee：调节Ee或Re可改变Ue大小，从而改变等效二极管VD的工况：eDDeDb1Aeeb1a)0VDb)UVVDVc)UVVDPNRUVDPNI(U)R...ebbbbbbbbbbUUUUUU时，反偏截止；时，虽正偏，但小于导通压降，故仍截止；时，正偏导通,区空穴不断注入区，从而导致管结正偏正反馈03~09..，为单结晶体管分压比晶闸管的驱动与保护峰点P:IP管子导通最小电流谷点V:UV维持导通最小发射极电压正阻特性，饱和区空穴过剩e1beURI选η、Iv较大，Uv较小的单结晶体管，使输出脉冲幅值大，调节电阻范围大。EUeEQ3EQ2EQ1Re小Re中Re大PIPIVIeAB晶闸管的驱动与保护二、单结晶体管驰张振荡电路利用负阻特性及RC充放电电路出现）（））（放电（，向经通，进入负阻态，结导通点）（）充电（经合电源122111211RRbbebbebDbbcceeUIIRRICRRebCbePNPUUUUCRC晶闸管的驱动与保护1111211/,RcveeeevbAebebUUIERRIRUPNCRRRCRRC时，放电结束，（较大）不通，结反偏单结管截止，重新充电。，（）晶闸管的驱动与保护minVeeVEURRI三、参数选择1．Re的确定保证在截止区和负阻区来回变化工作负载线：E=IeRe+Ue（Ie=IR）①截止区：maxPeepEURRI③负阻（振荡）区：②饱和区：minmaxVPeeeVPEUEURRRII晶闸管的驱动与保护2R1的选择R1↑→UR1↑，但R1太大单结晶体管未导通前的漏电流Ib在R1上的压降可能导致后一级晶闸管VT1、VT2误触发导通（参见图2-7），故R1UGD/Ib，UGD为额定结温与阳极阻断电压时不会触发导通晶闸管的门极电压。3R2的选择单结晶体管的峰值电压为：UP=UD+ηUbb=UD+(Rb1/Rbb)Ubb而其UD具有负电阻系数、Rbb正温度系数，即温度t↑→Rbb↑→UP↓。加R2(零温度系数)后有t↑→Rbb↑→UR2↓→Ub1b2（=E-UR2）↑，即补偿了UD↓晶闸管的驱动与保护4C的选择放电时间常数∶CRRb）（112C过小→脉宽窄，不能触通元件C过大与Re选择矛盾。当振荡频率一定时，C越大则Re越小起振条件越难满足。11ln1CRfe一般C可在（0.1-1）μF之间选取。晶闸管的驱动与保护四、单结晶体管触发实例1、单结晶体管同步触发实例1ln1eTRC触发脉冲周期晶闸管的驱动与保护2、锯齿波同步移相触发器R5R6IC1C2C1VW同步检测环节锯齿波形成环节Ub3晶闸管的驱动与保护2、锯齿波形成VWY、RP1、R3、VT1(组成恒流源电路)、VT2、VT3、C2等组成。VT2截止时∶恒流IC1对C2充电，uC线性增长，且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。VT2饱和导通∶R4较小，C2通过R4、VT2很快放电，形成锯齿波下降段。晶闸管的驱动与保护1、同步检测uTB由“+”变为“-”VT2截止，C2充电，据齿波形成(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负反馈，Q也为负电位，VT2反偏截止，C1不能经VD1放电。负半周上升段∶+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。锯齿波宽度=VT2截止时间(由R1C1决定)晶闸管的驱动与保护二、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)晶闸管的驱动与保护78678////TTRRuuRRR68768////KKRRUURRR67867////PPRRUURRR444444bebbePbeKbeTbRuRURURuI晶闸管的驱动与保护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。晶闸管的驱动与保护由VT4、VT5、R6、R7、R8、C3等组成脉冲形成环节，由VT8、VT7等组成放大环节。三、脉冲形成和放大环节脉冲形成脉冲放大隔离驱动晶闸管的驱动与保护ub40V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导通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)晶闸管的驱动与保护四、强触发环节VT8导通前，+50V电源通过R15向C6充电至+50V。VT8导通，C6经MB、R16、C5(并)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。晶闸管的驱动与保护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。五、双窄脉冲形成电路晶闸管的驱动与保护同步检测环节锯齿波形成环节移相环节功放环节选相环节3、集成触发器书中此处有误•晶闸管的驱动与保护4、数字触发器(1)脉冲同步(2)脉冲移相(3)脉冲的形成与输出晶闸管的驱动与保护一、同步的概念阳极电压和同步电压的协调，取决于：(1)主电路结构(2)触发电路类型(3)负载特性(4)移相要求二、同步的实现同步变压器的不同连接方式，配以阻容滤波产生的移相效应获得同步信号电压。同步变压器接法：Y/Y、Δ/Y，可构成共12种。副边不采用Δ接法，因触发电路有公共接线端。晶闸管的驱动与保护（1）正弦波NPN（上升沿）Ud=0，α=90º，uTa上升段过零点为α=90º(ωt=120º)（2）锯齿波PNP(下降沿)锯齿波宽=240ºUd=0，α=90º，ωt=120º（3）KC04锯齿波宽180º取中点为α=90º(ωt=120º)实现同步步骤1、根据不同的触发电路与移相范围的要求，确定同步信号Ut与对应晶闸管阳极电压之间的相位关系。晶闸管的驱动与保护晶闸管的串、并联和保护1、晶闸管的串联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晶闸管的驱动与保护均压措施：(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晶闸管的驱动与保护瞬态均压：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)smsmRnUnUU8.3~2.29.0~8.03~20.8~0.9：考虑电压分配不均，降压(10~20)%使用晶闸管的驱动与保护2、晶闸管的并联晶闸管的驱动与保护1)、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，有动态均流作用；体积大，绕制困难pdfbpTAVTnIKnIImax5.2~7.19.0~8.057.12~5.1晶闸管的驱动与保护3.过压保护一、过电压保护过电压类型：操作过电压：拉合闸、器件关断引起浪涌电压：雷击等引起，由电网进入装置晶闸管的驱动与保护晶闸管的驱动与保护（1）用避雷器防止雷达过电压损坏元件（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∶晶闸管的驱动与保护过压保护的方法(1)阻容保护单相三相（Y，△均可）整流式晶闸管的驱动与保护(2)压敏电阻保护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：U1mA(2)残压比：UY/U1mA（小：灵敏；大：不灵）UY：放电电流达到IY时的电压晶闸管的驱动与保护(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计算：9.0~8.01mAU×（压敏电阻承受的工作电压峰值）ε：电压升高系数1.05~1.1允许过压系数：0.8~0.9UY不超过元件允许电压最大值晶闸管的驱动与保护二、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a）交流侧电流有效值元件电流b）能保护元件c）仅对负载短路等起作用晶闸管的驱动与保护选用原则：（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)(57.1（3）熔断器，插入式RTK，大容量；螺旋式RLS，小容量三、电压及电流上升率限制（一）、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晶闸管的驱动与保护1、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。2、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，可能出现VT1，VT4同时导通，出现换流失败。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晶闸管的驱动与保护（二）、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第二章功率半导体器件的驱动与保护2.1晶闸管的驱动与保护2.2电流型自关断器件的驱动2.3电压型自关断器件的驱动2.4自关断器件的保护电流型自关断器件（如GTO）的驱动1、门极可关断晶闸管的驱动（基本要求）1）门极开通电路前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓2）门极关断电路前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓3）门极反偏电路正向阻断器件于门极上施加负偏压电流型自关断器件（如GTO）的驱动直接耦合式电容储能驱动电路开通控制信号关断控制信号反偏控制信号iRiC电流型自关断器件的驱动GTO驱动与保护电路原理图应改为