电力电子技术 第9章 电力电子器件应用的共性问题

三峡大学电气与新能源学院9-1第9章电力电子器件应用的共性问题•9.1电力电子器件器件的驱动•9.2电力电子器件器件的保护•9.3电力电子器件器件的串联和并联使用三峡大学电气与新能源学院9-29.1电力电子器件器件的驱动9.1.1电力电子器件驱动电路概述9.1.2晶闸管的触发电路9.1.3典型全控型器件的驱动电路三峡大学电气与新能源学院9-39.1.1电力电子器件驱动电路概述驱动电路——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。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。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。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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。三峡大学电气与新能源学院9-49.1.1电力电子器件驱动电路概述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，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)高传输比型三峡大学电气与新能源学院9-59.1.1电力电子器件驱动电路概述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。分类三峡大学电气与新能源学院9-69.1.2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。t晶闸管的触发电路触发信号可为直流、交流或脉冲电压。由于晶闸管触发导通后，门极触发信号即失去控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。三峡大学电气与新能源学院9-79.1.2晶闸管的触发电路晶闸管触发电路应满足下列要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度功率(触发电压和触发电流)。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（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（2.5IGT~2IGT）三峡大学电气与新能源学院9-89.1.2晶闸管的触发电路•触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。•在可控整流电路中，为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都在相同的控制角α触发导通．这就要求触发脉冲的频率必须与阳极电压一致，且触发脉冲的前沿与阳极电压应保持固定的相位关系，这叫做触发脉冲与阳极电压同步。三峡大学电气与新能源学院9-99.1.2晶闸管的触发电路三峡大学电气与新能源学院9-10•pulse-transformer•利用铁心的磁饱和性能把输入的正弦波电压变成窄脉冲形输出电压的变压器。•可用于燃烧器的点火、晶闸管的触发等。三峡大学电气与新能源学院9-11•pulse-transformer•脉冲变压器结构为原绕组套在断面较大的由硅钢片叠成的铁心柱上，副绕组套在坡莫合金材料制成的断面较小的易于高度饱和的铁心柱上，在两柱中间可设置磁分路。三峡大学电气与新能源学院9-12•pulse-transformer•电压和磁通的关系，输入电压u1是正弦波，在左面铁心中产生正弦磁通Φ1。•右面铁心中磁通Φ2高度饱和，是平顶波，它只有在零值附近发生变化，并立即饱和达到定值。•当Φ2过零值的瞬间，在副绕组中就感应出极陡的窄脉冲电动势e2。•磁分路有气隙存在，Φσ基本上按线性变化，与漏磁相似，其作用在于保证Φ1为正弦波。三峡大学电气与新能源学院9-139.1.2晶闸管的触发电路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。图9-3常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路三峡大学电气与新能源学院9-149.1.3典型全控型器件的驱动电路(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9-4推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件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。三峡大学电气与新能源学院9-159.1.3典型全控型器件的驱动电路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。图9-5典型的直接耦合式GTO驱动电路+5V+15V-15V三峡大学电气与新能源学院9-169.1.1电力电子器件驱动电路概述三峡大学电气与新能源学院9-179.1.3典型全控型器件的驱动电路开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。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图9-6理想的GTR基极驱动电流波形(2)GTR三峡大学电气与新能源学院9-189.1.3典型全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2图9-7GTR的一种驱动电路驱动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。三峡大学电气与新能源学院9-199.1.3典型全控型器件的驱动电路电力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。使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V。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。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路三峡大学电气与新能源学院9-209.1.3典型全控型器件的驱动电路(1)电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分图9-8电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力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。三峡大学电气与新能源学院9-219.1.3典型全控型器件的驱动电路(2)IGBT的驱动图9-9M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图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）。多采用专用的混合集成驱动器。三峡大学电气与新能源学院9-229.2电力电子器件器件的保护9.2.1过电压的产生及过电压保护9.2.2过电流保护9.2.3缓冲电路三峡大学电气与新能源学院9-239.2.1过电压的产生及过电压保护外因过电压：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雷击过电压：由雷击引起电力电子装置可能的过电压——外因过电压内因过电压三峡大学电气与新能源学院9-249.2.1过电压的产生及过电压保护内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：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。三峡大学电气与新能源学院9-259.2.1过电压的产生及过电压保护过电压保护措施图9-10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电路三峡大学电气与新能源学院9-269.2.2过电流保护过电流——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。图9-11过电流保护措施及配置位置三峡大学电气与新能源学院9-279.2.2过电流保护全保护：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，响应最快。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种三峡大学电气与新能源学院9-289.2.3缓冲电路关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。三峡大学电气与新能源学院9-299.2.3缓冲电路复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。三峡大学电气与新能源学院9-30理想开关三峡大学电气与新能源学院9-31b)tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC9.2.3缓冲电路缓冲电路作用分析无缓冲电路：有缓冲电路：图9-12di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO图9-13关断时的负载线三峡大学电气与新能源学院9-329.2.3缓冲电路充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。图9-14di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。图9-15另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路三峡大学电气与新能源学院9-339.3电力电子器件器件的串联和并联使用9.3.1晶闸管的串联9.3.2晶闸管的并联9.3.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点三峡大学电气与新能源学院9-349.3.1晶闸管的串联问题：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。静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。三峡大学电气与新能源学院9-359.3.1晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图9-16晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。三峡大学电气与新能源学院9-369.3.2晶闸管的并联问题：会分别因静态和动态特性参数的差异