電力電子器件應(yīng)用的共性問題

第9章電力電子器件應(yīng)用的共性問題

9.1電力電子器件的驅(qū)動

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)2/26本章要點(diǎn)■本章要點(diǎn)◆對電力電子器件驅(qū)動電路的基本要求?！粼隍?qū)動電路中實(shí)現(xiàn)電力電子主電路和控制電路電氣隔離的基本方法和原理?！魧чl管觸發(fā)電路的基本要求以及典型觸發(fā)電路的基本原理。◆對電力MOSFET和IGBT等全控型器件驅(qū)動電路的基本要求以及典型驅(qū)動電路的基本原理。◆電力電子器件過電壓的產(chǎn)生原因和過電壓保護(hù)的主要方法及原理。◆電力電子器件過電流保護(hù)的主要方法及原理。◆電力電子器件緩沖電路的概念、分類、典型電路。◆電力電子器件串聯(lián)和并聯(lián)使用的目的、基本要求以及具體注意事項(xiàng)。3/269.1電力電子器件的驅(qū)動

9.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述

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)動電路

4/269.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述■驅(qū)動電路

◆是電力電子主電路與控制電路之間的接口。◆良好的驅(qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗。

◆對裝置的運(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)動電路中，或通過驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)?！鲵?qū)動電路的基本任務(wù)

◆按控制目標(biāo)的要求給器件施加開通或關(guān)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(guān)斷控制信號。5/269.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述■驅(qū)動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

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

6/269.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述■驅(qū)動電路的分類

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

◆晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路?！鲵?qū)動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)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(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)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。7/269.1.2晶閘管的觸發(fā)電路圖9-3常見的晶閘管觸發(fā)電路■常見的晶閘管觸發(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)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，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V2、V3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(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)。

8/269.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路tOib◆GTR

?開通的基極驅(qū)動電流應(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)動電路√包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。?驅(qū)動GTR的集成驅(qū)動電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。圖9-6理想的GTR基極驅(qū)動電流波形圖9-7GTR的一種驅(qū)動電路

9/269.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路圖9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動電路■電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路

◆電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。

◆電力MOSFET

專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。10/269.1.3典型全控型器件的驅(qū)動電路圖9-9M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖

◆IGBT

?多采用專用的混合集成驅(qū)動器，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）。11/269.2電力電子器件的保護(hù)

9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

9.2.2過電流保護(hù)

9.2.3緩沖電路12/269.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)■過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。■外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括

◆操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓?！衾讚暨^電壓：由雷擊引起的過電壓?！鰞?nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括

◆換相過電壓：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，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。

◆關(guān)斷過電壓：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)出的過電壓。

13/269.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)圖9-10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(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)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(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路◆各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。

14/269.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)圖9-11RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用RC電路◆抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路。◆對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）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。

15/269.2.2過電流保護(hù)圖9-13過電流保護(hù)措施及配置位置■過電流分過載和短路兩種情況。

■過電流保護(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作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動作。

16/269.2.2過電流保護(hù)◆快速熔斷器（簡稱快熔）

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

◆對重要的且易發(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)行過電流保護(hù)。◆常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，器件對電流的響應(yīng)是最快的。17/269.2.3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)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗?！龇诸?/p>

◆分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路

?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)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。

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

?復(fù)合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(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：緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。

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

18/269.2.3緩沖電路b)tuCEiCOdidt抑制電路時(shí)無didt抑制電路時(shí)有有緩沖電路時(shí)無緩沖電路時(shí)uCEiC圖9-14

di/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)很高的過電壓，如圖9-14b?！粼谟芯彌_電路的情況下

?V開通時(shí)，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因?yàn)長i的作用，iC的上升速度減慢。

19/269.3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)20/269.3.1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■對較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個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)起來工作，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。

■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)，可以用兩個以上同型號器件相串聯(lián)?！綮o態(tài)不均壓問題

?由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓問題。?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。

Rp的阻值應(yīng)比任何一個器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多21/269.3.1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■對較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個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)起來工作，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。

■晶閘管的串聯(lián)

◆動態(tài)不均壓問題

?由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓問題。

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

Rp的阻值應(yīng)比任何一個器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多22/269.3.2晶閘管的并聯(lián)■晶閘管的并聯(lián)

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

◆晶閘管并聯(lián)就會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而存在電流分配不均勻的問題。

◆均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器件，此外還可以采用均流電抗器；同樣，用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。

◆當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。

23/269.3.3電力MOSFET的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)■