第九章 電力電子技術(shù)應(yīng)用共性問(wèn)題kjj

第9章電力電子器件應(yīng)用的共性問(wèn)題

9.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

9.2電力電子器件的保護(hù)

9.3電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用

本章小結(jié)9.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述

9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路

9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路

返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述■驅(qū)動(dòng)電路

◆是電力電子主電路與控制電路之間的接口?！袅己玫尿?qū)動(dòng)電路使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。

◆對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義?！粢恍┍Ｗo(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)?！鲵?qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)

◆按控制目標(biāo)的要求給器件施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。

◆對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)；對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述■驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(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

?光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。

?有普通、高速和高傳輸比三種類型。

◆磁隔離的元件通常是脈沖變壓器

?當(dāng)脈沖較寬時(shí)，為避免鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制和解調(diào)的方法。

ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖9-1光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型

返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述■驅(qū)動(dòng)電路的分類

◆按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩類。

◆晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路常稱為觸發(fā)電路?！鲵?qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路。

◆雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。

◆為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖9-2理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時(shí)間（<1s）t1~t3強(qiáng)脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）

■晶閘管的觸發(fā)電路

◆作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通?！艟чl管觸發(fā)電路往往還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。

◆觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求

?觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，比如對(duì)感性和反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。

?觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場(chǎng)合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)1~2A/s。

?觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。

?應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路圖9-3常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路■常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路

◆由V2、V3構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。

◆當(dāng)V2、V3導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)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V2、V3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)的。

◆為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它電路環(huán)節(jié)。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路OttOuGiG圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形■電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

◆GTO和GTR是電流驅(qū)動(dòng)型器件?！鬐TO

?開(kāi)通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流，使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求更高。

?GTO一般用于大容量電路的場(chǎng)合，其驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。

幅值需達(dá)陽(yáng)極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/s，強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約30s，負(fù)脈沖總寬約100s施加約5V的負(fù)偏壓，以提高抗干擾能力。返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖9-5典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路

?直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路

√可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿；缺點(diǎn)是功耗大，效率較低。√電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后提供，VD1和C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓，VD4和C4提供-15V電壓?！蘓1開(kāi)通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖；V2開(kāi)通時(shí)，輸出正脈沖平頂部分；

√V2關(guān)斷而V3開(kāi)通時(shí)輸出負(fù)脈沖；V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路tOib◆GTR

?開(kāi)通的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。?關(guān)斷時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。?GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路√包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分?！蘓D2和VD3構(gòu)成貝克箝位電路，是一種抗飽和電路，可使GTR導(dǎo)通時(shí)處于臨界飽和狀態(tài)；√C2為加速開(kāi)通過(guò)程的電容，開(kāi)通時(shí)R5被C2短路，這樣可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過(guò)沖，并增加前沿的陡度，加快開(kāi)通。

?驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見(jiàn)。圖9-6理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形圖9-7GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路

返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路■電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

◆電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。

◆為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。

◆使電力MOSFET開(kāi)通的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取10~15V，使IGBT開(kāi)通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取15~20V。

◆關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。

◆在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。

◆電力MOSFET

?包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平，V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖9-9M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖

?專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V?！鬒GBT

?多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)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）。返回上頁(yè)下頁(yè)

9.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)

9.2.2過(guò)電流保護(hù)

9.2.3緩沖電路9.2電力電子器件的保護(hù)返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)■過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。■外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括

◆操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓。◆雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起的過(guò)電壓。■內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括

◆換相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。

◆關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)圖9-10過(guò)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(yīng)過(guò)電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過(guò)電壓抑制器RC3閥器件換相過(guò)電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過(guò)電壓抑制用RCD電路■過(guò)電壓抑制措施及配置位置

◆各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。

◆RC3和RCD為抑制內(nèi)因過(guò)電壓的措施。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)圖9-11RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相圖9-12反向阻斷式過(guò)電壓抑制用RC電路◆抑制外因過(guò)電壓，采用RC過(guò)電壓抑制電路?！魧?duì)大容量的電力電子裝置，可采用圖9-12所示的反向阻斷式RC電路?！舨捎醚┍蓝O管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來(lái)限制或吸收過(guò)電壓也是較常用的措施。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.2過(guò)電流保護(hù)圖9-13過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置■過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況。

■過(guò)電流保護(hù)措施及其配置位置

◆快速熔斷器、直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。

◆通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.2過(guò)電流保護(hù)◆快速熔斷器（簡(jiǎn)稱快熔）

?是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。

?選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮

√電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。

√電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。

√快熔的t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許t值。

√為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。

?快熔對(duì)器件的保護(hù)方式可分為全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。

√全保護(hù)：過(guò)載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)合。

√短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用?！魧?duì)重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。◆常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，器件對(duì)電流的響應(yīng)是最快的。返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.3緩沖電路■緩沖電路（SnubberCircuit）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt或者過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。■分類

◆分為關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路

?關(guān)斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。

?開(kāi)通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和di/dt，減小器件的開(kāi)通損耗。

?復(fù)合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路結(jié)合在一起?！暨€可分為耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路

?耗能式緩沖電路：緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量消耗在其吸收電阻上。?饋能式緩沖電路：緩沖電路能將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，也稱無(wú)損吸收電路。

◆通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開(kāi)通緩沖電路區(qū)別叫做di/dt抑制電路。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.3緩沖電路b)tuCEiCOdidt抑制電路時(shí)無(wú)didt抑制電路時(shí)有有緩沖電路時(shí)無(wú)緩沖電路時(shí)uCEiC圖9-14di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形■緩沖電路

◆圖9-14a給出的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖。

◆在無(wú)緩沖電路的情況下，di/dt很大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過(guò)電壓，如圖9-14b。◆在有緩沖電路的情況下

?V開(kāi)通時(shí)，Cs先通過(guò)Rs向V放電，使iC先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)長(zhǎng)i的作用，iC的上升速度減慢。

?V關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過(guò)電壓。?因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會(huì)出現(xiàn)一定的過(guò)電壓。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.2.3緩沖電路ADCB無(wú)緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖9-15關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線圖9-16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

◆關(guān)斷過(guò)程

?無(wú)緩沖電路時(shí)，uCE迅速上升，負(fù)載線從A移動(dòng)到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移動(dòng)到C。

?有緩沖電路時(shí)，由于Cs的分流使iC在uCE開(kāi)始上升的同時(shí)就下降，因此負(fù)載線經(jīng)過(guò)D到達(dá)C。

?負(fù)載線在到達(dá)B時(shí)很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負(fù)載線ADC是很安全的，且損耗小?！袅硗鈨煞N常用的緩沖電路形式

?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。

?晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般只承受換相過(guò)電壓，沒(méi)有關(guān)斷過(guò)電壓?jiǎn)栴}，關(guān)斷時(shí)也沒(méi)有較大的du/dt，因此一般采用RC吸收電路即可。

返回上頁(yè)下頁(yè)9.3電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用

9.3.1晶閘管的串聯(lián)

9.3.2晶閘管的并聯(lián)

9.3.3電力MOSFET的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)返回上頁(yè)下頁(yè)9.3.1晶閘管的串聯(lián)圖9-17晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施■對(duì)較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個(gè)電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時(shí)，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)工作，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)工作。

■晶閘管的串聯(lián)

◆當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實(shí)際要求時(shí)，可以用兩個(gè)以上同型號(hào)器件相串聯(lián)。

◆靜態(tài)不均壓?jiǎn)栴}

?由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓?jiǎn)栴}。?為達(dá)到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選用參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。◆動(dòng)態(tài)不均壓?jiǎn)栴}

?由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓?jiǎn)栴}。

?為達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外還可以用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓；對(duì)于晶閘管來(lái)講，采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開(kāi)通時(shí)間上的差異。

Rp的阻值應(yīng)比任何一個(gè)器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多返回上頁(yè)下頁(yè)9.3.2晶閘管的并聯(lián)■晶閘管的并聯(lián)

◆大功率晶閘管裝置中，常用多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流。