電力電子技術Power Electronic Technology課件

1、電 力 電 子 技 術Power Electronic Technology杜少武第五講第五講 電力電子器件（四）電力電子器件（四）4.1 4.1 電力電子器件驅動電路電力電子器件驅動電路4.2 4.2 電力電子器件器件的保護電力電子器件器件的保護4.3 4.3 電力電子器件器件的串聯和并聯使用電力電子器件器件的串聯和并聯使用4.1 4.1 電力電子器件驅動電路電力電子器件驅動電路4.1.1 4.1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述4.1.2 4.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路4.1.1 4.

2、1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述 驅動電路驅動電路主電路與控制電路之間的接口 使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義 對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現 驅動電路的基本任務驅動電路的基本任務： 將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號 對半控型器件只需提供開通控制信號 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號4.1.1 4.1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述

3、 驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R14.1.1 4.1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述電流驅動型電流驅動型和電壓驅動型電壓驅動型具體形式可為分立元件的分立元件的，但目前的趨勢是采用專用專用集成驅動電路集成驅動電路 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路 為達到參數最佳配合，首選所用器件生產廠家專門開發(fā)的集成驅動電路4.1.2 4.1

4、.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 作用作用：產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通 廣義上講，還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路 晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： 觸發(fā)脈沖的寬度寬度應保證晶閘管可靠導通（結合擎住電流擎住電流的概念） 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度幅度 不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)可靠觸發(fā)區(qū)域之內 應有良好的抗干擾抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離電氣隔離4.1.2 4.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路ItIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前

5、沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）4.1.2 4.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2V1、V2構成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環(huán)節(jié)V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖VD1和R3是為了V1、V2由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路1. 電流驅動型器件的驅動電流驅動型器件的驅動電路

6、電路 GTOGTO的開通控制開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導通期間施加正門極電流使GTO關斷關斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力OttOuGiG圖圖1-28推薦的推薦的GTO門極電壓電流波形門極電壓電流波形4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 驅動電路通常包括開通驅動電路開通驅動電路、關斷驅動電路關斷驅動電路和門極反偏電路門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合脈沖變壓器耦合式式和直接耦合式直接耦合式兩種類型 直接耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和

7、寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應用較廣，但其功耗大，效率較低4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驅動驅動電路電路：二極管VD1和電容C1提供+5V電壓VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+15V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開通時，輸出正強脈沖V2開通時輸出正脈沖平頂部分V2關斷而V3開通時輸出負脈沖V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4圖1-29典型的直接耦合式GTO驅動電路4.1.3 4

8、.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路GTR開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓圖1-30理想的GTR基極驅動電流波形tOib4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 GTR的一種驅動電路，包括電氣隔離和晶體管放的一種驅動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分大電路兩部分圖1-31GTR的一種驅動電路VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4

9、R5C1C24.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路u二極管VD2和電位補償二極管VD3構成貝克箝位貝克箝位電路電路，也即一種抗飽和抗飽和電路，負載較輕時，如V5發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2會自動導通，使多余的驅動電流流入集電極，維持Ubc0。uC2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路?？蓪崿F驅動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 2.電壓驅動型器件的驅動電路電壓驅動型器件的驅動電路 柵源間、柵射間有數千皮法的

10、電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小 使MOSFET開通的驅動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅動電壓一般1520V 關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗 在柵極串入一只低值電阻（數十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 電力電力MOSFET的一種驅動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導通輸出負驅動電壓 當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓A+-MOSFET20 V20

11、VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1- VCC+ VCC圖1-32電力MOSFET的一種驅動電路4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路IGBT的驅動的驅動 多采用專用的混合集成驅動器圖1-33M57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖13故障指示檢測端VCC接口電路門極關斷電路定時及復位電路檢測電路4158614

12、13uoVEE81546-10V+15V30V+5 VM57962 L14ui1快恢復trr0.2s4.7k 3.1 100 F100 F4.1.3 4.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 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） 內部具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號 M57962L輸出的正驅動電壓均為+15V左右，負驅動電壓為-10V。4.2 4.2 電力電子器件器件的保護電力電子器件器件的保護4.2.

13、1 4.2.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護4.2.2 4.2.2 過電流的產生及過電流保護過電流的產生及過電流保護4.2.3 4.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）4.2.1 4.2.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護 電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內因過電壓外因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外因(1)操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起(2)雷擊過電壓：由雷擊引起內因過電壓內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程(1)換相過電壓：晶閘管或與

14、全控型器件反并聯的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓(2)關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓4.2.1 4.2.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護 過電壓保護措施過電壓保護措施圖1-34過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側RC抑制電路RCD閥器

15、件關斷過電壓抑制用RCD電路S圖1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC4.2.1 4.2.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯結方式見圖1-35RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側（供電網一側稱網側，電力電子電路一側稱閥側），或電力電子電路的直流側4.2.1 4.2.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護+-+-a)b)網側閥側直流側圖1 -35CaRaCaRaCdcRdcCdcRd

16、cCaRaCaRa圖1-35RC過電壓抑制電路聯結方式a)單相b)三相4.2.1 4.2.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路保護電路參數計算可參考相關工程手冊其他措施：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓電力電子裝置過電壓抑制電路圖1-36C1R1R2C24.2.2 4.2.2 過電流的產生及過電流保護過電流的產生及過電流保護 過電流過載和短路兩種情況 常用措施（圖1-37）圖1-37過電流保護措施及配置位置負載觸發(fā)電路開關電

17、路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護電路快速熔斷器 變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器圖1 -374.2.2 4.2.2 過電流的產生及過電流保護過電流的產生及過電流保護 快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器 同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性 電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護，過電流繼電器整定在過載時動作4.2.2 4.2.2 過電流的產生及過電流保護過電流的產生及過電流保護快速熔斷器快速熔斷器電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施選擇快熔時應考慮：(1)電壓等級根據

18、熔斷后快熔實際承受的電壓確定(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定(3)快熔的I 2t值應小于被保護器件的允許I 2t值(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性4.2.2 4.2.2 過電流的產生及過電流保護過電流的產生及過電流保護 快熔對器件的保護方式：快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種 全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合 短路保護方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用 對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或全控型器件（很難用快熔保護），需采用電子電路進行過電流保護 常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保

19、護環(huán)節(jié)，響應最快4.2.3 4.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 緩沖電路緩沖電路（吸收電路）：吸收電路）：抑制器件的內因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關損耗 關斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗 開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗 將關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起復合緩沖電路 其他分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路） 通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/d

20、t抑制電路4.2.3 4.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析無緩沖電路：V開通時電流迅速上升，di/dt很大關斷時du/dt很大，并出現很高的過電壓有緩沖電路V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢V關斷時：負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓a)b)圖1-38RiVDLVdidt抑制電路緩沖電路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制電路無時didt抑制電路有時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖1-38di/dt抑制電

21、路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形4.2.3 4.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 關斷時的負載曲線關斷時的負載曲線無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應電壓使VD通，負載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移到C有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負載線經過D到達C負載線ADC安全，且經過的都是小電流或小電壓區(qū)域，關斷損耗大大降低ADCB無緩沖電路有緩沖電路圖1-39uCEiCO圖1-39關斷時的負載線4.2.3 4.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber

22、 Circuit） 充放電型RCD緩沖電路（圖1-38），適用于中等容量的場合 圖1-40示出另兩種，其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件圖1-40另外兩種常用的緩沖電路a)RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路L緩沖電路L緩沖電路負載負載a)b)圖1-40EdRsCsEdRsCsVDs4.2.3 4.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 緩沖電路中的元件選取及其他注意事項緩沖電路中的元件選取及其他注意事項 Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊 VDs必須選用快恢復二極管，額定電流不小于主電

23、路器件的1/10 盡量減小線路電感，且選用內部電感小的吸收電容 中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側設一個du/dt抑制電路 對IGBT甚至可以僅并聯一個吸收電容 晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關斷過電壓，關斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可4.3 4.3 電力電子器件器件的串電力電子器件器件的串聯和并聯使用聯和并聯使用4.3.1 4.3.1 晶閘管的串聯晶閘管的串聯4.3.2 4.3.2 晶閘管的并聯晶閘管的并聯4.3.3 4.3.3 電力電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并聯運行的特點并聯運行的特點4.3.1 4.3.1 晶閘管的串聯晶閘管的

24、串聯目的目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯 問題問題：理想串聯希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻 靜態(tài)不均壓：串聯的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等 承受電壓高的器件首先達到轉折電壓而導通，使另一個器件承擔全部電壓也導通，失去控制作用 反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿4.3.1 4.3.1 晶閘管的串聯晶閘管的串聯 靜態(tài)均壓措施靜態(tài)均壓措施選用參數和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，Rp的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多圖1-41晶閘管的串聯a)伏安特性差異b)串聯均壓措施b)a)圖1-41RCRCVT1VT2RP

25、RPIOUUT1IRUT2VT1VT24.3.1 4.3.1 晶閘管的串聯晶閘管的串聯動態(tài)均壓措施動態(tài)均壓措施 動態(tài)不均壓由于器件動態(tài)參數和特性的差異造成的不均壓 動態(tài)均壓措施： 選擇動態(tài)參數和特性盡量一致的器件 用RC并聯支路作動態(tài)均壓 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異4.3.2 4.3.2 晶閘管的并聯晶閘管的并聯目的目的：多個器件并聯來承擔較大的電流問題問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數的差異而電流分配不均勻均流措施均流措施 挑選特性參數盡量一致的器件 采用均流電抗器 用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流 當需要同時串聯和并聯晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯接4.3.2 4

26、.3.2 晶閘管的并聯晶閘管的并聯圖143晶閘管并聯均流電路4.3.3 4.3.3 電力電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并聯運行的特點并聯運行的特點 電力電力MOSFET并聯運行的特點并聯運行的特點Ron具有正溫度系數，具有電流自動均衡的能力，容易并聯注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯電路走線和布局應盡量對稱可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用 IGBT并聯運行的特點并聯運行的特點在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負負的溫度系數在以上的區(qū)段則具有正正溫度系數并聯使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯圖圖1-25 1-25 光耦合器

27、的類型及接法光耦合器的類型及接法ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1普通型 高速型 高傳輸比型圖圖1-261-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形ItIMt1t2t3t4t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈沖寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）圖圖1-27 1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2圖圖1-281-28推薦的推薦的GTOGTO門極電壓電流波形門極電壓電流波形OttOuGiG圖圖1-291-29典型的直接耦

28、合式典型的直接耦合式GTOGTO驅動電路驅動電路50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4圖圖1-301-30理想的理想的GTRGTR基極驅動電流波形基極驅動電流波形tOib圖圖1-311-31GTRGTR的一種驅動電路的一種驅動電路VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖圖1-321-32電力電力MOSFETMOSFET的一種驅動電路的一種驅動電路A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC圖圖1-331-33M57962LM57962L型型IGBTIGBT驅動器的原理和