第9章电力电子器件应用的共性问题

1-1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1-29.1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1-39.1.1电力电子器件驱动电路概述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。提高装置的运行效率、可靠性和安全性。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，将驱动信号加在电力电子器件控制端和公共端之间，使其开通或关断。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。驱动电路——主电路与控制电路之间的接口1-49.1.1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1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型1-59.1.1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1-61-79.1.2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。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。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1-26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1-89.1.2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1-27常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路1-99.1.3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1-28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。1-109.1.3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1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路1-111-129.1.3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1-30理想的GTR基极驱动电流波形(2)GTR1-139.1.3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1-31GTR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。1-14HL202是国产双列直插、20引脚GTR集成驱动电路，内有微分变压器实现信号隔离，贝克箝位退饱和、负电源欠压保护。工作电源电压+8~+10V和-5.5V~-7V，最大输出电流大于2.5A，可以驱动100A以下GTR。UAA4003是双列直插、16引脚GTR集成驱动电路，可以对被驱动的GTR实现最优驱动和完善保护，保证GTR运行于临界饱和的理想状态，自身具有PWM脉冲形成单元，特别适用于直流斩波器系统。M57215BL是双列直插、8引脚GTR集成驱动电路，单电源自生负偏压工作，可以驱动50A，1000V以下的GTR模块一个单元；外加功率放大可以驱动75~400A以上GTR模块。1-159.1.3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1-169.1.3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1-32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。国际整流器公司的IR2110。1-179.1.3典型全控型器件的驱动电路(2)IGBT的驱动图1-33M57962L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。1-189.2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1-199.2.1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。电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压1-209.2.1过电压的产生及过电压保护过电压保护措施图1-34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。1-219.2.2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。图1-37过电流保护措施及配置位置1-229.2.2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1-239.2.3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。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。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。1-24b)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1-38di/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1-39关断时的负载线1-259.2.3缓冲电路充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。图1-38di/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1-40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1-269.3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1-279.3.1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。1-289.3.1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1-41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。1-299.3.2晶闸管的并联问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。目的：多个器件并联来承担较大的电流1-309.3.2晶闸管的并联VT1VT2VT31-319.3.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。在以上的区段则具有正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力MOSFET并联运行的特点1-32本章小结◆对电力电子器件驱动电路的基本要求。◆在驱动电路中实现电力电子主电路和控制电路电气隔离的基本方法和原理。◆对晶闸管触发电路的基本要求以及典型触发电路的基本原理。◆对电力MOSFET和IGBT等全控型器件驱动电路的基本要求以及典型驱动电路的基本原理。◆电力电子器件过电压的产生原因和过电压保护的主要方法及原理。◆电力电子器件过电流保护的主要方法及原理。◆电力电子器件缓冲电路的概念、分类、典型电路及基本原理。◆电力电子器件串联和并联使用的目的、基本要求以及具体注意事项。