电力电子学：第7章 辅助元器件和系统.ppt

电力电子学电力电子变换和控制技术 第第 7 章章辅助元器件和系统辅助元器件和系统1电力电子学电力电子变换和控制技术 7 7 辅助元器件和系统辅助元器件和系统引言引言7.1 触发控制器7.2 过电流保护和过电压保护7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区7.4 缓冲器 7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 滤波器 7.7 散热系统 7.8 控制系统和辅助系统小结电力电子学电力电子变换和控制技术 引言引言q电力电子变换器中，周期性第改变开关的通、断状态，可实现DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC电力变换和控制q电力电子变换器中除开关电路外，还必须有一些辅助元器件和系统，如触发驱动器、过流过压保护系统、缓冲器、电感、电容、变压器、滤波器、散热系统、辅助电源、控制系统等q本章介绍这些辅助元器件和系统电力电子学电力电子变换和控制技术电力电子变换器系统框图示例电力电子变换器系统框图示例电力电子学电力电子变换和控制技术7.1 7.1 触发控制器触发控制器引言引言7.1.1 晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器7.1.2 GTO的触发驱动器的触发驱动器7.1.3 BJT的驱动器的驱动器7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器的驱动器电力电子学电力电子变换和控制技术7.1 7.1 触发控制器触发控制器q从控制系统接受控制信号，经过处理后输出触发驱动电压(电流)，开通或关断元器件，不同的开关器件，不同的应用情况，要求不同的触发驱动器，已有各类开关元器件的触发驱动器供选用。

电力电子学电力电子变换和控制技术7.1.1 晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器图图7.1 7.1 有隔离变压器的有隔离变压器的SCRSCR驱动器驱动器q SCR只要求有脉只要求有脉冲电流触发其开通，冲电流触发其开通，脉冲电流脉冲电流Ig上升沿上升沿要陡，强触发数值要陡，强触发数值要足够大（脉冲足要足够大（脉冲足以使以使SCR立即开通）立即开通）电力电子学电力电子变换和控制技术q由发光二极管LED和光控晶闸管LAT组成q光电耦合隔离较变压器隔离电磁干扰小，但光控晶闸管LAT必须能承受电路高压q快速光耦响应时间可小于1.5sq高压电力系统、直流输电等用的SCR触发器大都采用光纤电缆传送驱动信号7.1.1 晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器( (续续1)1)电力电子学电力电子变换和控制技术qGTO要求有正值门极脉冲电流要求有正值门极脉冲电流+Ig触发其开通，负值脉冲电流触发其开通，负值脉冲电流-Ig使其关使其关断断qMOS管管M1、M2接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向GTO输出输出+ Ig触发其开通，并使触发其开通，并使C充电q要关断已处于通态的要关断已处于通态的GTO（M1、M2已无输入信号）时，需触发开通已无输入信号）时，需触发开通SCR，C放电形成放电形成- Ig ，关断，关断GTO7.1.2 GTO的触发驱动器的触发驱动器 电力电子学电力电子变换和控制技术7.1.3 BJT的驱动器的驱动器 BJT理想驱动条件及理想波形理想驱动条件及理想波形 基极驱动电流的波形。

晶体管开通的瞬间，驱动基极驱动电流的波形晶体管开通的瞬间，驱动电流应有足够陡的前沿和比稳态驱动电流大得多的前电流应有足够陡的前沿和比稳态驱动电流大得多的前沿峰值电流，以保证晶体管迅速进入饱和状态；沿峰值电流，以保证晶体管迅速进入饱和状态； 基极电流的稳态值应使晶体管处于饱和或临界饱基极电流的稳态值应使晶体管处于饱和或临界饱和状态，以降低通态损耗；和状态，以降低通态损耗； 驱动电流后沿加一个较大的负电流，以保证迅速驱动电流后沿加一个较大的负电流，以保证迅速地将晶体管地将晶体管b-eb-e之间的结间存储电荷抽出，加快关断之间的结间存储电荷抽出，加快关断过程，降低开关损耗，并有利于提高开关频率过程，降低开关损耗，并有利于提高开关频率 基极驱动电路必须隔离，响应快，波形不失真基极驱动电路必须隔离，响应快，波形不失真有过流或晶体管进入放大区工作的保护功能有过流或晶体管进入放大区工作的保护功能电力电子学电力电子变换和控制技术7.1.3 BJT的驱动器的驱动器( (续续1)1) qBJT要求有正值基极电流要求有正值基极电流+IB，强触发开通，并要求有持续的强触发开通，并要求有持续的较小的驱动电流，保持其通态。

较小的驱动电流，保持其通态最好有最好有-IB使其关断时间缩短，使其关断时间缩短，有较小的负基极电流维持其可有较小的负基极电流维持其可靠的断态靠的断态q与与R并联的并联的C提供了强触发提供了强触发+IGq输入端输入端P为低电平时，为低电平时，TR1通，通，TR2通，有通，有+iG驱动驱动BJTq输入端为高电平时，输入端为高电平时，TR1断，断，TR3通，通，C经经TR3放电，形成放电，形成BJT关断所需的关断所需的-iB电力电子学电力电子变换和控制技术7.1.3 BJT的驱动器的驱动器( (续续2)2)q P点有输入信号时，反相器输出点有输入信号时，反相器输出VB=0，光耦驱动器，光耦驱动器TL1导通导通使使A点为高电位，经点为高电位，经R1使使T1导通，为导通，为BJT提供提供+IBq 当当P点无输入信号时，点无输入信号时，VP=0，光耦驱动，光耦驱动LT2导通，使导通，使A点为点为低电位，低电位，T2导通，导通，C经经T2、R2放电，为放电，为BJT提供关断电流提供关断电流-IB电力电子学电力电子变换和控制技术7.1.3 BJT的驱动器的驱动器( (续续3)3)BJT除了上面讲到的那些驱除了上面讲到的那些驱动器外，还有这样的一些驱动器外，还有这样的一些驱动电路动电路电力电子学电力电子变换和控制技术7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器的驱动器 一一 般般 选选 取取 正正UG E= 1 2 1 5 V关断过程中，为尽快使栅极输入关断过程中，为尽快使栅极输入电容放完电，并将电容放完电，并将P-MOSFET或或IGBT置于反偏的最大安全工作置于反偏的最大安全工作区，应施加一负偏压区，应施加一负偏压UGE，但它，但它受受IGBT的的GE间最大反向耐压限间最大反向耐压限制，一般取制，一般取-2 -10V电力电子学电力电子变换和控制技术7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器的驱动器( (续续1)1)qP-MOSFET、IGBT等都是电等都是电压型驱动器件，要求有持续的压型驱动器件，要求有持续的电平电平+VG使其开通并保持其通使其开通并保持其通态；态；q关断时最好加持续的负电平关断时最好加持续的负电平-VG，并维持其可靠的断态，并维持其可靠的断态qP有正信号输入时，有正信号输入时，AM截止，截止，开通开通P-MOSFET；P=0时，时， AM开通，开通，C放电，放电，P-MOSFET截截止止电力电子学电力电子变换和控制技术qP P有正信号输入时，放大有正信号输入时，放大器输出器输出A A点正电位使点正电位使T T1 1导导通，通，P-MOSFETP-MOSFET开通，并开通，并保持通态保持通态qP P无信号输入时，无信号输入时，A A点为点为负电位，负电位，T T2 2导通，稳压导通，稳压管管DZDZ两端电压抽出两端电压抽出C C电荷，电荷，并在并在P-MOSFETP-MOSFET管上栅管上栅- -源源极加负压，使其关断并极加负压，使其关断并保持断态保持断态7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驱动器的驱动器( (续续2)2)电力电子学电力电子变换和控制技术7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.2.1 过电流保护7.2.2 过电压保护7.2.3 开关管串并联均压均流保护电力电子学电力电子变换和控制技术7.2.1 过电流保护过电流保护q可同时采用多种过流可同时采用多种过流( (过载、短路过载、短路) )保护，各尽所能协调配合，实现可靠地保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选择性保护。

选择性保护q电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机q快速熔断器：既可作短路保护又可作过载保护快速熔断器：既可作短路保护又可作过载保护qSCRSCR被触发导通，烧断熔断器，切断电路被触发导通，烧断熔断器，切断电路q开关管设死区延时开通，防止直通开关管设死区延时开通，防止直通电力电子学电力电子变换和控制技术7.2.2 过电压保护过电压保护q避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压q设置设置C Co o，抑制操作开关，抑制操作开关S S通、断时过电压通、断时过电压q线路上并接线路上并接RCRC过电压缓冲器过电压缓冲器q线路上并接压敏电阻线路上并接压敏电阻RVRVq用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压电力电子学电力电子变换和控制技术7.2.3 开关管串并联均压均流保护开关管串并联均压均流保护p开关管并联使用时要均流开关管并联使用时要均流串串Lp P-MOS管通态电阻管通态电阻rT温度系数为温度系数为正正(温度高，温度高，rT大大)开关管并联自动开关管并联自动均流BJT的的rT温度系数为负，不温度系数为负，不宜并联使用。

宜并联使用IGBT大电流时，大电流时，rT温度系数为正温度系数为正q 开关管串联使用时要均压开关管串联使用时要均压并并RCRCq 取取R11=R12R11=R12远小于远小于rT1rT1、rT2rT2稳压均压稳压均压q 取取R13=R14R13=R14，C13=C14C13=C14动态均压动态均压电力电子学电力电子变换和控制技术7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区开关器件的开通、关断过程及安全工作区引言7.3.1 线路电感L=0时开关器件的开通关断过程7.3.2 线路电感L0时开通、关断过程7.3.3 安全工作区电力电子学电力电子变换和控制技术引言引言q可以近似认为在一个开关周期可以近似认为在一个开关周期Ts=Ton+Toff期间期间io=Io不变，开不变，开通关断过程中通关断过程中iT线性变化线性变化q断态：断态：+VG=0，rT= ，iT=0，D续流续流Io，VT=VD，A点点q通态：有通态：有+VG，rT=0，iT=Io，D截止，截止，VT=0，C点点电力电子学电力电子变换和控制技术引言引言q开通：断态通态，rT从 0，iT从0线性上升至Io，VT从VDi0q关断：通态断态，rT从0 ，iT从Io线性下降至0，VT从0VDq开通过程中工作点如何从开通过程中工作点如何从A A过渡到过渡到C C？V VT T按什么规律降至按什么规律降至0 0？q关断过程中工作点从关断过程中工作点从C C如何过渡到如何过渡到A A？qV VT T按什么规律上升至按什么规律上升至V VD D？取决于电路？取决于电路中的电感中的电感L L及开关管的并联电容及开关管的并联电容C C电力电子学电力电子变换和控制技术引言引言q无串联电感时：无串联电感时： 开通过程：开通过程：ABC(ABC(高压下电流上升高压下电流上升ABAB，负载电流下电压下降负载电流下电压下降BCBC） 关断过程：关断过程：CBA (CBA (负载电流下电压上负载电流下电压上升对应升对应CBCB，高压下电流下降对应，高压下电流下降对应BABA） q有串联电感时：有串联电感时： 开通过程开通过程AQECAQEC，比，比ABCABC好好 关断过程关断过程CBHPACBHPA，比，比CBACBA差差图7.11图7.11电力电子学电力电子变换和控制技术7.3.1 线路电感线路电感L L=0=0时开关器件开通关断过程时开关器件开通关断过程电力电子学电力电子变换和控制技术7.3.1 线路电感线路电感L L=0=0时开关器件开通关断过程时开关器件开通关断过程q 有有+V+VG G后延时后延时t td d，r rT T从从 0 0，有，有-V-VG G，经存储时间，经存储时间t trvrv，r rT T 从从0 。