第9章 电力电子器件应用的共性问题

第第99章章电力电子器件电力电子器件应用的共性问题应用的共性问题主讲教材：主讲教材：1.1.《《电力电子技术电力电子技术》》（第（第55版）版）王兆安王兆安刘进军刘进军机械工业出版社机械工业出版社参考教材：参考教材：2.2.《《电力电子学电力电子学》》陈坚陈坚高等教育出版社高等教育出版社2河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题9.19.1电力电子器件的电力电子器件的驱动驱动9.29.2电力电子器件的电力电子器件的保护保护9.39.3电力电子器件的电力电子器件的串、并联使用串、并联使用主要内容主要内容第第99章章3河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题9.19.1电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动9.1.19.1.1电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述9.1.29.1.2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路9.1.39.1.3典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路4河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题™™驱动电路的驱动电路的作用作用：：①①主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口。。是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路（具有的好处）：(1)可使电力电子器件工作在较理想的开关状态;(2)缩短开关时间，减小开关损耗，提高效率、安全性。②②对器件或整个装置的对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中一些保护措施也往往设在驱动电路中，或，或通过驱动电路实现。通过驱动电路实现。M579系列，EXB系列集成驱动器。③③驱动电路还要提供驱动电路还要提供（控制电路与主电路之间的）电气隔离环节电气隔离环节。。™™驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：：————将控制信号转换为电力电子器件的将控制信号转换为电力电子器件的““开通开通””或或““关断关断””信号信号。。•对半控型器件:只需提供““开通开通””控制信号。•对全控型器件:既要提供““开通开通””、、““关断关断””控制信号。9.6.1电力电子器件驱动电路概述5河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题™™电气隔离环节：电气隔离环节：一般采用光隔离光隔离或磁隔离。磁隔离。①①光隔离光隔离::一般采用光耦合器②②磁隔离磁隔离::通常是脉冲变压器。通常是脉冲变压器。当脉冲较宽时，为免铁心饱和，常用高频调制解调的方法。ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图9-1光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型•电流传输比0.1～0.3••响应时间响应时间1010μμss••响应时间响应时间1.51.5μμss•传输比高9.6.1电力电子器件驱动电路概述6河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题™™按照按照驱动信号驱动信号的性质，电力电子器件可分为：的性质，电力电子器件可分为：——电流驱动型：SCR、GTO、GTR——电压驱动型：IGBT、MOSFET、MCT等。‡‡晶闸管晶闸管是流控器件、半控器件。单独讨论其触发电路。‡‡其他全控器件其他全控器件：驱动电路分电压型电压型和电流型电流型分别讨论。™™驱动电路具体形式：驱动电路具体形式：（（11）分立元件式驱动电路。）分立元件式驱动电路。（（22）专用驱动电路（目前流行）。具体形式：）专用驱动电路（目前流行）。具体形式：——（（集成）驱动电路芯片。集成）驱动电路芯片。——把多个芯片和器件器件集成在一起，混合集成电路混合集成电路。。——对大功率器件，可能把所有驱动电路都封装在一起的驱动模块驱动模块。。9.6.1电力电子器件驱动电路概述7河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题9.6.29.6.2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路yy产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管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在需要的时刻由阻断转为导通阻断转为导通。。——广义上讲，还包括相位控制电路相位控制电路（控制触发脉冲产生的时刻）。这里这里专指触发脉冲的形成、放大和输出环节触发脉冲的形成、放大和输出环节。。™™对晶闸管触发电路的要求对晶闸管触发电路的要求①触发脉冲的宽度宽度™™晶闸管触发电路的作用晶闸管触发电路的作用，保证可靠导通。，保证可靠导通。②触发脉冲应有足够的幅度幅度。。③在门极的可靠触发区域之内门极的可靠触发区域之内。。④应有良好的抗干扰性能、温度稳良好的抗干扰性能、温度稳定性定性及与主电路的电气隔离电气隔离。。IIMt1t2t3t4图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2⎯脉冲前沿上升时间（1μs）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）8河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题•V1、V2构成脉冲放大环节；•脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节；•V1、V2导通时,通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。•VD1和R3是由（导通变为截止时）脉冲变压器TM释能回路。„集成触发电路（见第二章）图图99--33常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路9.6.29.6.2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路„„一种简单的分立式触发电路一种简单的分立式触发电路9河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题9.6.39.6.3典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路11、、GTOGTO的驱动波形的驱动波形¾¾GTOGTO的开通的开通:与普通晶闸管相似，但：①对脉冲前沿的幅值和陡度要幅值和陡度要求高求高；②一般需在整个导通期间施加正门极电流。¾¾GTOGTO的关断的关断：①需施加负门极电流，且对其幅值和陡度要求更高；要求更高；②关断后关断后还应在门阴极施加约约5V5V的负偏压（以提高抗干扰的负偏压（以提高抗干扰能力）能力）。。„„电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路图9-4推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG幅值需达阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/μs，强负脉冲宽度约30μs，负脉冲总宽约100μs施加约5V的负偏压，以提高抗干扰能力10河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题•GTO驱动电路通常包括：““开通开通””驱动电路、驱动电路、““关断关断””驱动电驱动电路和路和““门极反偏门极反偏””电路电路三部分。•两种耦合类型：脉冲变压器耦合式、直接耦合式脉冲变压器耦合式、直接耦合式。。•直接耦合式驱动电路：可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。但功耗大，效率较低但功耗大，效率较低。。（在控制电路与（在控制电路与VV11、、VV22、、VV33元件之间，加光隔）。元件之间，加光隔）。11、、GTOGTO的驱动电路的驱动电路™™典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电路驱动电路介绍介绍11河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题11、、GTOGTO的驱动电路的驱动电路™™典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电路驱动电路‡‡高频电源整流得电源高频电源整流得电源..•二极管VD1和电容C1提供+5V电压；（（CC11大于大于CC22）。）。••VDVD22、、VDVD33、、CC22、、CC33构成倍压倍压整流电路整流电路提供+15V电压；•VD4和电容C4提供-15V电压。图9-5典型的直接耦合式GTO驱动电路+5+5VV--1515VV图9-4推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG‡‡VV11导通导通::提供+15V强脉冲。‡‡VV22导通导通::提供+5V平顶电压。‡‡VV22关断关断,V,V33导通导通::输出负脉冲电压。‡‡VV33关断后关断后::R3和R4分压后提供门极“负偏压”（约-5V）。+15+15VVUUc2c2=10=10VV12河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题••开通驱动电流：开通驱动电流：应使GTR处于准饱和导通状态；前沿足前沿足够陡，并有过冲够陡，并有过冲（加速开通过程，减小开通损耗）。••关关断断GTRGTR时：时：施加一定的负施加一定的负基极电流基极电流（有利于减小关断时间和关断损耗）。••关断后：关断后：在基射极之间施加一定幅值（（6V6V左右）的负偏左右）的负偏压（抗干扰！）压（抗干扰！）。。22、、GTRGTR的驱动电路的驱动电路™理想的GTR基极驱动电流波形tOib图9-6理想的GTR基极驱动电流波形13河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题™™GTRGTR的一种驱动电路的一种驱动电路包括:电气隔离、晶体管放大。¾¾二极管二极管VDVD22和电位补偿二极管和电位补偿二极管VDVD33构成构成((抗饱和抗饱和))贝克箝位电路，贝克箝位电路，使使GTRGTR处于临界饱和导通状态处于临界饱和导通状态。。——作用：负载较轻时，使多余的驱动电流通过VD2流入集电极，维持UUbcbc≈≈00。。¾¾CC22为加速开通过程的电容（增加驱动电流前沿的为加速开通过程的电容（增加驱动电流前沿的陡度）。陡度）。图9-7GTR的一种驱动电路zz集成驱动集成驱动::THOMSONTHOMSON的的UAA4002,UAA4002,三菱的三菱的M57215BLM57215BL较常见。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C214河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题a)a)为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。。【栅-源（或栅-射）间有数千皮法的极间电容】。b)b)开通驱动电压开通驱动电压::（1）MOSFET栅-源电压：10~18V；（2）IGBT栅-射电压：15~20V。c)c)关断时，施加一定幅值的负驱动电压关断时，施加一定幅值的负驱动电压（一般取（一般取--5~5~--15V15V）。）。d)d)在在栅极串入一只（数十欧左右）低值电阻栅极串入一只（数十欧左右）低值电阻。。——可减小寄生振荡。——阻值，应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。„„电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路™目前常用的电压驱动器件：MOSFET、IGBT™™对压控器件驱动电路的要求：对压控器件驱动电路的要求：15河南科技大学河南科技大学《《电力电子技术电力电子技术》》课件课件第第99章章电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题11））电力电力MOSFETMOSFET的驱动电路的驱动电路无输入信号时无输入信号时::放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压输出负驱动电压。。有输入信号时有输入信号时::放大器A输出正电平,V2导通输出正驱动电压输出正驱动电压。。压控器件驱动电路实例压控器件驱动电路实例„„混合集成电路：混合集成电路：三菱公司的三菱公司的M