电力电子第9章 电力电子器件应用的共性问题

第9章电力电子器件应用的共性问题9.1电力电子器件的驱动9.2电力电子器件的保护9.3电力电子器件的串联使用和并联使用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9.1电力电子器件的驱动驱动电路——主电路与控制电路之间的接口，使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，提高装置的运行效率、可靠性和安全性9.1.1电力电子器件驱动电路概述1、驱动电路的基本任务1）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2）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9.1.1电力电子器件驱动电路概述3）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，或通过驱动电路实现◆光隔离一般采用光耦合器☞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9.1.1电力电子器件驱动电路概述电流驱动型：GTO、GTR电压驱动型：MOSFET、IGBT3、驱动电路的发展趋势分立元件→专用集成驱动电路2、驱动电路的分类晶闸管的驱动电路常称为触发电路9.1.1电力电子器件驱动电路概述■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。◆晶闸管触发电路往往包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。9.1.2晶闸管的触发电路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（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）1、触发电路应满足下列要求1）宽度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。2)有足够的幅度，寒冷场合，幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1~2A/s。3）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。4)有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。9.1.2晶闸管的触发电路IIMt1t2t3t4t1~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）2、理想的触发脉冲电流波形9.1.2晶闸管的触发电路◆由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。◆当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是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。◆为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。9.1.2晶闸管的触发电路3、常见的晶闸管触发电路TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E21、电流驱动型器件的驱动电路1）GTO对触发脉冲的要求：—开通：与SCR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：关断需施加负门极电流，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9.1.3典型全控型器件的驱动电路推荐的门极电压电流波形：1、电流驱动型器件的驱动电路1）GTOtOOtiGuG9.1.3典型全控型器件的驱动电路1、电流驱动型器件的驱动电路1）GTO两种类型：脉冲变压器耦合式：直接耦合式：能电气隔离，但变压器漏感使输出脉冲陡度受限，且其寄生L和C易出现寄生振荡和干扰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，因此目前应用较广，但功耗大，效率较低GTO驱动电路开通驱动电路关断驱动电路门极反偏电路9.1.3典型全控型器件的驱动电路典型直接耦合式GTO驱动电路：1、电流驱动型器件的驱动电路1）GTO50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD49.1.3典型全控型器件的驱动电路1、电流驱动型器件的驱动电路2）GTR对触发脉冲的要求：—开通：开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之正向压降较低又有利于关断—关断：关断时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压9.1.3典型全控型器件的驱动电路理想的基极驱动电流波形：1、电流驱动型器件的驱动电路2）GTRtOib9.1.3典型全控型器件的驱动电路—抗饱和电路（贝克箝位电路）：由箝位二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成—加速电容C2：为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路，可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C29.1.3典型全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路1）电力MOSFET对触发脉冲的要求—栅源间、栅射间有数千皮法的电容，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（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9.1.3典型全控型器件的驱动电路2、电压驱动型器件的驱动电路2、电压驱动型器件的驱动电路2）MOSFET的一种驱动电路A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压9.1.3典型全控型器件的驱动电路专为驱动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。）。2、电压驱动型器件的驱动电路3）IGBT驱动电路9.1.3典型全控型器件的驱动电路多采用专用的混合集成驱动器，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）。M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图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9.2电力电子器件的保护1、电力电子装置可能的过电压原因外因过电压：(1)操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2)雷击过电压：由雷击引起内因过电压：(1)换相过电压：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9.2.1过电压的产生及过电压保护S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC避雷器静电感应过电压抑制电容阀侧浪涌过电压抑制阀侧浪涌过电压抑制反向阻断式RC电路压敏电阻过电压抑制换相过电压抑制直流侧过电压抑制阀器件关断过电压抑制RCD电路变压器静电屏蔽层9.2.1过电压的产生及过电压保护2、过电压保护措施及配置位置◆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、过电压保护措施9.2.1过电压的产生及过电压保护RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相反向阻断式过电压抑制用RC电路◆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9-12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。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图1-379.2.2过电流保护■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。快速熔断器电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施快熔对器件的保护方式分两种：全保护和短路保护全保护：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方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用9.2.2过电流保护作用：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分类：关断缓冲电路（du/dt抑制电路、缓冲电路）吸收器件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复合缓冲电路将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起9.2.3缓冲电路按储能元件情况分类：耗能式缓冲电路：电路中储能元件的能量消耗在吸收电阻上馈能式缓冲电路：电路中储能元件的能量回馈给负载或电源9.2.3缓冲电路a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt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uCEiC常用缓冲电路——di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路用于中等容量器件9.2.3缓冲电路a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt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uCEiC常用缓冲电路——di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路无缓冲电路：V开通时电流迅速上升，di/dt很大关断时du/dt很大，并出现很高的过电压9.2.3缓冲电路a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt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uCEiC常用缓冲电路——di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路有缓冲电路：V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢；V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压9.2.3缓冲电路关断时的负载曲线ADCB无缓冲电路有缓冲电路图1-39uCEiCO无缓冲电路时：uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C9.2.3缓冲电路另外两种缓冲电路RC吸收电路用于小容量器件放电阻止型RCD吸收电路用于中或大容量器件L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDs9.2.3缓冲电路当单个器件的电压或电流定额不能满足要求时，需将器件串联或并联或者将装置串联或并联。9.3电力电子器件的串联使用和并联使用目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以同型号器件串联问题：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1、静态不均压问题—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9.3.1晶闸管的串联b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2后果：承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿