1电力电子器件-第5讲

1.4电力电子器件的驱动电路1）、驱动电路功能：是主电路与控制电路之间的接口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，提高运行效率、对装置的可靠性和安全性都有重要的意义。2）、驱动电路的基本任务：–将信息电子电路传来的信号，转换为电力电子器件所要求的开通或关断的信号，及必要的隔离电路。–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。(1-1)0电力电子器件驱动电路概述驱动电路(1-2)ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型3）、隔离电路：一般采用光隔离或磁隔离。●光隔离一般采用光耦合器●磁隔离的元件通常是脉冲变压器(1-3)按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但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，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。4）、分类(1-4)5）、集成驱动模块的特点驱动电路可输出要求的驱动电流，确保快速有效的导通和关断，缩短存储时间。导通时监控集射极饱和压降，自动调节功率开关管驱动电流，维持功率开关管处于临界饱和状态。可串联电阻检测集电极电流，实现过流保护。电源正负电压检测，热保护，欠压保护功能。有的还具有高速输入输出隔离功能。防止直通现象发生。(1-5)1晶闸管的触发电路作用：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。晶闸管导通条件？？晶闸管驱动电路的要求驱动信号（交流，直流，脉冲）驱动信号有足够的功率（驱动电压，驱动电流）驱动信号的宽度（消失前达到擎住电流）和陡度（大于10V/us或800mA/us）不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4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）晶闸管的触发电路(1-6)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。常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路(1-7)(1)GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。图1-28推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG2GTO的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。变压器二次侧N2、N3的电压满足如下要求•uN2正半周，经VD1使C1充上+5V电压。•uN2负半周，经VD2使C2充上10V电压。•uN2下一正半周，经VD3使C3充上＋15V电压。•VD4和电容C4提供-15V电压。•V1开通时，输出正强脉冲，GTO导通。•V2开通（V1关）时输出+5V电压，保证可靠导通。•V2关断而V3开通时输出负脉冲，使GTO关断。•V3关断后R3和R4提供约－5V门极负偏压，保证可靠关断。(1-8)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。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路(1-9)恒压源关断控制电路变压源关断控制电路（1）恒压源关断控制（2）变压源关断控制(1-10)开通驱动电流应使GTR处于饱和导通状态，小功率电路中，为使GTR便于关断，可使之工作在准饱和导通状态。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib理想的GTR基极驱动电流波形3BJT（GTR）的驱动电路GTR驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2※主电路未画出，V为GTR工作过程：A高电平，V1、2通，V3止，V4、5通，V(GTR)通。A低电平，V1、2止，V3通，V4、5止。在UC2作用下，V6导通，V反偏截止，VS通，使V截止更可靠。二极管VD2和VD3构成贝克箝位电路（即抗饱和电路），使集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使Vce维持在0.7V，使GTR处于准饱和状态。C2为加速电容，可提高脉冲前沿陡度，降低开通时间。同时也是V的关断电源。注UCE=0.7-3V为准饱和驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。(1-12)电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。触发脉冲前后沿要陡峭（足够快的上升、下降速度）使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V（多用10V），使IGBT开通的驱动电压一般15~18V（多用15V）。（高于管子的开启电压）关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。驱动电源需并联旁路电容，消除噪声，给负载提供瞬时电流，加快开关速度。电压驱动型器件的驱动电路特点4MOSFET的驱动电路•M高电平V1通，运放A输出高电平，V2导通输出正驱动电压，使MOSFET导通。•无输入信号时，运放A输出负电平，V3导通，使MOSFET控制（栅）极放电，并承受反压而关断。(1-13)电气隔离和晶体管放大电路两部分电力MOSFET的一种驱动电路：(1-14)举例：电力MOSFET的一种集成驱动芯片TLP250它的最大输出电流1.5A，它不仅可以驱动电力MOSFET，也可以驱动IGBT，200A以下的管子可以直接驱动。专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，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。13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546-10V+15V30V+5VM57962L14ui1快恢复trr≤0.2s4.7k3.1100F100F●常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）●内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。●M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图4IGBT的驱动电路（多采用专用的混合集成驱动器）(1-16)外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起浪涌过电压：由雷击引起（避雷器、压敏电阻）内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：SCR及二极管换流时，会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，线路电感在器件两端感应出过电压。（RC保护）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。（RCD保护电路）电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压1.4电力电子器件的保护1过电压保护电力电子器件的过载能力差，短时间的过压、过流均会造成器件损坏。因此保护则成为保证器件可靠运行的重要一环。(1-17)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电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。过电压保护措施过电压保护措施（1）用RC抑制过电压利用电容两端电压不能突变，抑制过电压。但为防止电容放电时通过SCR的电流过大和抑制振荡，需串入电阻，从而构成了阻容保护电路。①交流侧的阻容保护可参考“电力电子技术题例与电路设计指导”145-153页。这里需要注意的是电容的耐压和电阻的功率。②元件两端的阻容保护主要抑制器件关断时反向电流消失过快而产生的过电压。RC参数选择的参考书同上，第148页。（2）用压敏电阻抑制过电压压敏电阻RV:是一种由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性元件，称金属氧化物压敏电阻，简称压敏电阻。正常电压时呈高阻状态，仅有很小的漏电流（μA级），出现过压时，它很快变成低阻状态，通过很大的浪涌电流，把过电压吸收掉，过电压过后，一切恢复正常。压敏电阻的选择见上述参考书，第146-147页。●RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见下图RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相大容量电力电子装置可采用图1-36所示的整流式RC电路电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C2图1-36整流式过电压抑制用RC电路保护电路参数计算可参考相关书籍和工程手册也可选用金属氧化物压敏电阻、硒堆等非线性元器件吸收过电压(1-21)过电流——过载和短路两种情况保护措施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同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。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。过电流保护措施及配置位置2过电流保护(1-22)采用快速熔断器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：(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定,但熔丝电流容量应大于正常时线路中电流有效值。(3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种(1)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。(2)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，响应最快。电子电路过电流保护•自关断电力电子器件的热容量极小，过电流能力很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。•为了使自关断型器件组成的电力电子装置安全运行，保护的主要做法是：利用参数状态识别对单个器件进行保护；利用互锁的办法对桥臂中两个器件进行保护；利用电流检测等办法进行保护。(1)电压状态识别保护•当BJT、GTO、IGBT等电力电子器件处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流或阳极电流的增加,其集射极电压UCE或阳极阴极的电压UAK均发生相应变化,BJT的基射极电压UBE也发生变化，可利用这一特点对BJT等自关断器件进行过载和短路保护。•基极电压状态识别保护监测基极电压状态识别保护电路监测集射极电压状态识别保护电路•集射极电压状态识别保护电路(2)桥臂互锁保护(3)过饱和保护•采用准饱和驱动电路实现过饱和保护。(4)直接电流检测法(5)GTO的过电流保护(1-25)功率MOSFET和IGBT栅极绝缘的氧化层很薄，在静电较强的场合容易引起静电击穿，造成栅源短路。元件应存放在防静电包装袋，导电材料包装袋或金属容器中，取用器件时，应拿器件