电力电子技术

书名：电力电子技术ISBN：978-7-111-37817-4作者：高文华出版社：机械工业出版社本书配有电子课件电力电子技术ppt课件模块2电力电子器件驱动与保护2.1电力电子器件驱动电路概述2.2晶闸管的驱动与保护2.3电流型自关断器件的驱动2.4电压型自关断器件的驱动2.5自关断器件的保护2.6任务实施——绝缘栅双极晶体管驱动电路设计2.7知识拓展——集成驱动芯片介绍小结电力电子技术ppt课件2.1电力电子器件驱动电路概述1.驱动电路定义：主电路与控制电路之间的接口2.驱动电路的基本任务：将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换使电力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端之间）对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。电力电子技术ppt课件3.驱动电路的形式分立元件构成专用的集成驱动电路4.控制电路与主电路之间的电气隔离环节磁隔离的元件通常是脉冲变压器光隔离一般采用光耦合器(光耦）。其连接类型分别有普通型、高速型、高传输比型。ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1电力电子技术ppt课件归纳1驱动电路主电路与控制电路之间的接口性能良好的驱动电路使电力电子器件理想的开关状态缩短开关时间减小开关损耗对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义驱动电路的基本任务将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。电力电子技术ppt课件驱动电路对半控型器件提供开通控制信号关断信号开通信号对全控型器件提供驱动电路提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节（一般采用光隔离或磁隔离）。驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号电流驱动型电压驱动型晶闸管电流驱动型器件半控型器件触发电路晶闸管的驱动电路归纳2电力电子技术ppt课件2.2晶闸管的驱动与保护1.单结晶体管触发电路（补充内容）2.锯齿波同步移相触发器3.集成触发电路及数字触发电路4.触发电路与主电路电压的同步5.晶闸管的串并联及保护电力电子技术ppt课件1.单结晶体管触发电路对于触发电路通常有如下要求：触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步触发脉冲能满足主电路移相范围的要求触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡电力电子技术ppt课件正弦波尖脉冲方脉冲强触发脉冲脉冲序列图2-1常见的触发脉冲电压波形触发电路通常以组成的主要元件名称分类，可分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器、计算机控制数字触发电路等。常见的触发脉冲电压波形如下：单结晶体管触发电路电力电子技术ppt课件一、单结晶体管单结晶体管的结构、图形符号及等效电路如图所示。单结晶体管触发电路图2-2单结晶体管(a)结构示意(b)等效电路(c)图形符号(d)外形及管脚电力电子技术ppt课件bbbbbbbAUUrrrU121分压比IP图2-3单结晶体管伏安特性(a)单结晶体管实验电路(b)单结晶体管伏安特性电力电子技术ppt课件Ue＞UP：Ie增大，rb1急剧下降，UA达到最小，Ue也最小，达到谷点V负阻区（PV段）达到UV后，单结晶体管处于饱和导通状态饱和区（VN段）截止区（ap段）Ue＜UA：PN结反偏置，只有很小的反向漏电流Ue=UA：Ie＝０，特性曲线与横坐标交点ｂ处Ue上升：Ue＝UP＝ηUbb＋UD，单结晶体管导通，该转折点称为峰点P二、单结晶体管自激振荡电路1.电源接通：E通过Re对C充电，时间常数为ReC2.Uc增大，达到UP，单结晶体管导通，C通过R1放电3.Uc减少，达到Uv，单结晶体管截止，ｕR1下降，接近于零4.重复充放电过程Re的值不能太大或太小，满足电路振荡的Re的取值范围VVePPIUERIUE图2-4单结晶体管自激振荡电路为了防止Re取值过小电路不能振荡，一般取一固定电阻r与另一可调电阻Re串联，以调整到满足振荡条件的合适频率。若忽略电容C放电时间，电路的自激振荡频率近似为：电路中R1上的脉冲电压宽度取决于电容放电时间常数。R2是温度补偿电阻，作用是保持振荡频率的稳定。11ln11CRTfe三、具有同步环节的单结晶体管触发电路图2-5晶体管同步触发电路注意：每周期中电容C的充放电不止一次，晶闸管由第一个脉冲触发导通，后面的脉冲不起作用。改变Re的大小，可改变电容充电速度，达到调节α角的目的。削波的目的：增大移相范围，使输出的触发脉冲的幅度基本一样。不削波：UP≈ηUbb，为正弦半波，移相范围小。实际应用中，常用晶体管Ｖ2代替电位器Re，以便实现自动移相。TP：脉冲变压器，实现触发电路与主电路的电气隔离。恒流源图2-6单结管触发电路其它形式2.锯齿波同步移相触发器晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率越大。对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。同步电压为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。五个基本环节：同步环节、锯齿波的形成与脉冲移相控制环节、脉冲形成放大与输出环节、双窄脉冲形成环节、强触发环节。图2-7同步电压为锯齿波的触发电路同步电压为锯齿波的触发电路1)同步环节同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关VT2管来控制的。VT2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。VT2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。VT2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。同步电压为锯齿波的触发电路同步电压为锯齿波的触发电路2)锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案，由VT1、VT2、VT3和C2等元件组成VT1、VS、RP1和R3为一恒流源电路3）脉冲形成放大与输出环节VT4、VT5—脉冲形成VT7、VT8—脉冲放大控制电压uK加在VT4基极上脉冲前沿由VT4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在VT8集电极电路中。同步电压为锯齿波的触发电路4)双窄脉冲形成环节内双脉冲电路VT5、VT6构成“或”门当VT5、VT6都导通时，VT7、VT8都截止，没有脉冲输出。只要VT5、VT6有一个截止，都会使VT7、VT8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uK对应的控制角产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过VT6）。同步电压为锯齿波的触发电路各点电压波形如图2-8所示。图2-8锯齿波触发电路各点电压波形图2-7同步电压为锯齿波的触发电路3.集成触发电路集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。KC04与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。3.集成触发电路图2-9KC04电路原理图集成触发电路完整的三相全控桥触发电路3个KC04集成块和1个KC41C集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。图2-10三相全控桥整流电路的集成触发电路所谓同步，是指给触发电路提供与晶闸管所承受的电源电压保持合适相位关系的电压，使其触发脉冲的相位出现在被触发的晶闸管承受正向电压的区间，确保主电路各晶闸管在每一个周期中按相同的顺序和控制角被触发导通。定相：将提供给触发电路合适相位的电压称为同步信号电压，正确选择同步信号电压与晶闸管主电压的相位关系称为同步或定相。4.触发电路与主电路电压的同步5.晶闸管的串并联与保护一、晶闸管的串联使用1.串联使用的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。2.串联使用时的问题：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。3.串联使用时要均压措施：一般在器件上并联阻值相等的电阻。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，Rj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通常在元件两端并联R、C阻容吸收回路，它既可起过电压保护作用，又可利用电容电压不能突变而减慢元件上的电压变化以实现动态均压的目的目的：多个器件并联来承担较大的电流。问题：SCR会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。二、晶闸管的并联使用a）电阻均流法：均流电阻阻值大于SCR导通时的内阻b）电抗均流法三、电力电子器件的保护（一）过电压的产生及过电压保护1.过电压的产生原因外因过电压:主要来自雷击和系统中的操作过程等外因(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（浪涌过电压）内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程(1)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，会由线路电感在器件两端感应出过电压；(2)关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过电压的产生过电压外因过电压内因过电压操作过电压雷击过电压换相过电压关断过电压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，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关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形，如图所示：2.过电压的保护措施针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，称为吸收回路。（1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关断过电压）（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻外形同瓷介电容特性曲线同正反相稳压管压敏电阻的接法：a)单相联接b)三相星形联接（二）过电流的产生及保护1.产生：短路、过载时会产生过电流2.保护：快速熔断器（1.57IT(AV)≥IFU≥ITM）快速熔断器保护的接法a)串于桥臂中b)串于交流侧c)串于直流侧银质熔丝石英沙过电流保护过电流保护措施过电流继电器快速熔断器直流快速断路器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性过电流短路时的部分区段的保护整定在电子电路动作之后实现保护整定在过载时动作短路过载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过电流保护措施及配置位置根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型。2.3电流型自关断器件的驱动1.电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR）GTO的开通控制：与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流；关断：施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG2.GTO驱动电路通常包括三部分：开通电路、关断电路和门极反偏电路典型GTO驱动电路的解释：二极管VD1和电容C1提供+5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压。VD4和电容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50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD