第2章补 电力电子器件应用的共性问题

2.7电力电子器件应用的共性问题2.7.1电力电子器件的驱动2.7.2电力电子器件的保护2.7.3电力电子器件的串联使用和并联使用小结2.7.1电力电子器件的驱动2.7.1.1电力电子器件驱动电路概述2.7.1.2晶闸管的触发电路2.7.1.3典型全控型器件的驱动电路2.7.1.1电力电子器件驱动电路概述■驱动电路◆是电力电子主电路与控制电路之间的接口。◆良好的驱动电路使电力电子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，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。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。■驱动电路的基本任务◆作用：按控制要求给器件施加开通或关断信号：对半控型器件只需提供开通脉冲控制信号；对全控型器件需提供开通、关断两个控制信号。◆驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器：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方法。ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图2.7-1光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型2.7.1.1电力电子器件驱动电路概述■驱动电路的分类◆按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类。◆晶闸管的驱动电路常称为触发电路。■驱动电路具体形式◆可为分立元件、集成电路的，目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，应首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。2.7.1.2晶闸管的触发电路IIMt1t2t3t4图2.7-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2脉冲前沿上升时间（1s）t1~t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）◆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还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。◆触发电路应满足下列要求☞触发脉冲宽度应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。☞触发脉冲应有足够幅度。对户外寒冷场合，脉冲电流幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿陡度也需增加，一般需达1~2A/s。☞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。☞应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。■晶闸管的触发电路2.7.1.2晶闸管的触发电路图2.7-3图为一种变压器隔离的SCR驱动电路。◆驱动电路由两部分组成：V2、V3构成脉冲放大环节，脉冲变压器TM及附属电路构成脉冲输出环节。◆当控制系统发出的高电平驱动信号使V2、V3导通时，脉冲变压器TM输出电压经VD2输出脉冲电流触发SCR导通。控制系统发出的驱动信号为零时，VD1和R3续流，TM原边电压速降为零，释放TM储存能量，防止变压器饱和。◆若要获得脉冲波形中的强触发部分，还需适当附加其它电路环节。■常见的晶闸管触发电路图2.7-3常见的晶闸管触发电路光耦隔离的SCR驱动电路左图为一种光耦隔离的SCR驱动电路。工作原理：控制系统发出驱动信号至光耦输入端，光耦输出电路中R上的电压产生脉冲电流触发SCR导通。变压器隔离方式光耦隔离方式2.7.1.3典型全控型器件的驱动电路☞开通控制与普通晶闸管相似。但(1)对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求较高；(2)一般需在整个导通期间施加正向门极电流。☞使GTO关断需施加负向门极电流，对其幅值和陡度的要求更高。☞GTO一般用于大容量电路场合，驱动电路通常包括开通驱动、关断驱动和门极反偏三部分电路。☞耦合方式可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。OttOuGiG图2.7-4推荐的GTO门极电压电流波形幅值需达阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/s，强负脉冲宽度约30s，负脉冲总宽约100s施加约5V的负偏压，以提高抗干扰能力。■电流驱动型器件的驱动电路GTO、GTR：电流驱动型器件◆GTO驱动电路波形要求2.7.1.3典型全控型器件的驱动电路◆GTO的几种直接耦合式典型驱动电路控制Ｔ使GTO触发导通，同时电容Ｃ充电。控制Ｔ关断，电容Ｃ放电，反向电流使GTO关断。Ｒ→开通限流，Ｌ→SCR阳极电流下降期间释放储能，补偿GTO门极关断电流，提高关断能力。特点：电路简单可靠。但GTO关断依靠电容Ｃ放电，关断能力有限且不易控制。另外Ｔ的控制脉冲需保证一定宽度，才能使Ｃ充有足够能量使GTO关断，☞一种双管单电源驱动电路控制Ｔ1、Ｔ2导通→GTO被触发；控制Ｔ1、Ｔ2关断且SCR１、SCR２导通→GTO门极与阴极间流过负电流而使GTO关断。特点：GTO开通和关断均依靠一个独立电源，其关断能力强、易控制，GTO触发可采用窄脉冲。☞一种单管单电源驱动电路√驱动电路电源由高频电源经二极管整流提供。VD1和C1提供+5V电压；VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压；VD4和C4提供-15V电压。√V1开通时输出正强脉冲，V2开通时输出正脉冲平顶部分；V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后R3和R4提供门极负偏压。√特点：可避免电路内部相互干扰和寄生振荡，得到较陡的脉冲前沿；缺点是功耗大，效率较低。图2.7-5直接耦合式GTO驱动电路◆GTO的几种直接耦合式典型驱动电路☞一种单管双电源驱动电路☞一种互补双管单电源驱动电路导通和关断用两个独立电源，开关元件少，电路简单。导通关断用一个独立电源，多用于300A以上GTO。☞一种三电源三管驱动电路2.7.1.3典型全控型器件的驱动电路含光偶隔离和晶体管放大电路两部分。√VD2和VD3构成贝克箝位电路→一种抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态；√C2为加速开通过程的电容，开通时R5被C2短路，这样可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。tOib图2.7-6GTR基极驱动电流理想波形VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2图2.7-7GTR的一种驱动电路◆GTR驱动电路波形要求使GTR开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断时施加一定的负基极电流以减小关断时间和关断损耗，关断后在基射极之间施加一定幅值(6V左右)的负偏压以防止干扰造成误通。☞GTR的一种驱动电路THOMSON公司UAA4002和三菱公司M57215BL较为常见。GTR集成驱动电路UAA4002☞驱动GTR集成驱动电路：2.7.1.3典型全控型器件的驱动电路图2.7-8一种电力MOSFET驱动电路驱动电路输出的电压波形与GTR的电流波形形状相同。为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V，使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15~20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-5~-15V)以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)可减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。IGBT与电力MOSFET输入特性基本相同，用于IGBT的驱动电路同样可以用于电力MOSFET。■电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。◆IGBT和电力MOS驱动电路及波形要求包括电气隔离和晶体管放大电路两部分；控制输入信号低电平时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压，控制输入信号高电平时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。☞一种电力MOSFET驱动电路采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路推挽输出的栅极驱动电路☞一种IGBT栅极驱动电路2.7.1.3典型全控型器件的驱动电路■电压驱动型器件的驱动电路2.7.1.3典型全控型器件的驱动电路专为驱动IGBT和电力MOSFET而设计有混合集成电路：常用有三菱公司的M572.7系列(如M572.762L和M572.752.7L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851)。如三菱公司的M572.718L，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。◆IGBT和电力MOSFET的驱动集成电路图EXB8XX驱动模块框图及其应用电路图2.7-2.7M572.762L型驱动模块框图及其应用电路2.7.2电力电子器件的保护2.7.2.1过电压的产生及过电压保护2.7.2.2过电流保护2.7.2.3缓冲电路2.7.2.1过电压的产生及过电压保护■过电压分为外因过电压和内因过电压两类。■外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，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。■内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括◆换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。◆关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。2.7.2.1过电压的产生及过电压保护图2.7-10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RC1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■过电压抑制措施及配置位置◆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。2.7.2.1过电压的产生及过电压保护图2.7-11RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相图2.7-12反向阻断式过电压抑制用RC电路■过电压抑制措施及配置位置◆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2.7-12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。2.7.2.2过电流保护图2.7-13过电流保护措施及配置位置■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。2.7.2.2过电流保护◆快速熔断器（简称快熔）☞是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。☞选择快熔时应考虑√电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。√电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。√快熔的t值应小于被保护器件的允许t值。√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。☞快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。√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：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。◆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。I2I22.7.2.3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◆分为关断缓冲电路和开通缓冲电路☞关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路