电力电子第9章电力电子器件应用的共性问题.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,1,9.1.1 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,9.1 电力电子器件的驱动,驱动电路,主电路与控制电路之间的接口，使器件工作在,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,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,1、驱动电路的基本任务,1）将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换,为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其,开通或关断的信号,2）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,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,3）对器件或整个装置的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,光隔离一般采用光耦合器,光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内有,普通,、,高速,和,高传输比,三种类型磁隔离的元件通常是脉冲变压器,当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用,高频调制和解调,的方法。

E,R,E,R,E,R,a,),b,),c,),U,in,U,out,R,1,I,C,I,D,R,1,R,1,图9-1 光耦合器的类型及接法,a)普通型 b)高速型 c)高传输比型,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,电流驱动型：GTO、GTR,电压驱动型：MOSFET、IGBT,3、驱动电路的发展趋势,分立元件专用集成驱动电路,2、驱动电路的分类,晶闸管的驱动电路常称为,触发电路,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,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往往包括对其触发时刻进行控制的,相位控制电路,9.1.2 晶闸管的触发电路,I,I,M,t,1,t,2,t,3,t,4,图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形,t,1,t,2,脉冲前沿上升时间（1,s,）,t,1,t,3,强脉冲宽度,I,M,强脉冲幅值（,3I,GT,5I,GT,）,t,1,t,4,脉冲宽度,I,脉冲平顶幅值（,1.5I,GT,2I,GT,）,1、触发电路应满足下列要求,1）,宽度保证晶闸管可靠导通,，比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发。

2),有,足够的幅度,，寒冷场合，幅度应增大为器件最大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12A/,s3）,触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内4),有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离9.1.2 晶闸管的触发电路,I,I,M,t,1,t,2,t,3,t,4,t,1,t,2,脉冲前沿上升时间（1,s,）,t,1,t,3,强脉冲宽度,I,M,强脉冲幅值（,3I,GT,5I,GT,）,t,1,t,4,脉冲宽度,I,脉冲平顶幅值（,1.5I,GT,2I,GT,）,2、理想的触发脉冲电流波形,9.1.2 晶闸管的触发电路,由V,1,、V,2,构成的,脉冲放大环节,和脉冲变压器TM和附属电路构成的,脉冲输出环节,两部分组成当V,1,、V,2,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VD,1,和,R,3,是为了V,1,、V,2,由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节9.1.2 晶闸管的触发电路,3、常见的晶闸管触发电路,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,对触发脉冲的要求：,开通,：与SCR相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流,关断,：关断需施加,负,门极电流，对其幅值和陡度的要求,更高,，关断后还应在门阴极施加约5V的,负偏压,以提高抗干扰能力,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,推荐的门极电压电流波形：,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,两种类型：,脉冲变压器耦合式：,直接耦合式：,能电气隔离，但变压器漏感使输出脉冲陡度受限，且其寄生L和C易出现寄生振荡和干扰,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，因此目前应用较广，但功耗大，效率较低,GTO驱动电路,开通驱动电路,关断驱动电路,门极反偏电路,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,典型直接耦合式GTO驱动电路：,1、电流驱动型器件的驱动电路,1）GTO,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,1、电流驱动型器件的驱动电路,2）GTR,对触发脉冲的要求：,开通,：开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之 正向压降较低又有利于关断,关断,：关断时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,理想的基极驱动电流波形,：,1、电流驱动型器件的驱动电路,2）GTR,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,抗饱和电路（贝克箝位电路）,：由箝位二极管VD,2,和电位补偿二极管VD,3,构成,加速电容C,2,：为加速开通过程的电容。

开通时，R,5,被C,2,短路，可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,GTR的一种驱动电路,1）电力MOSFET对触发脉冲的要求,栅源间、栅射间有数千皮法的电容，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1015V，使IGBT开通的驱动电压一般1520V,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（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,2、电压驱动型器件的驱动电路,2、电压驱动型器件的驱动电路,2）MOSFET的一种驱动电路,无输入信号时高速放大器,A,输出负电平，,V,3,导通输出负驱,动电压,当有输入信号时,A,输出正电平，,V,2,导通输出正驱动电压,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,专为驱动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-10V2、电压驱动型器件的驱动电路,3）IGBT驱动电路,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,多采用专用的,混合集成驱动器,，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）。

M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,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,9.2 电力电子器件的保护,1、电力电子装置可能的过电压原因,外因过电压：,(1)操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2)雷击过电压：由雷击引起,内因过电压：,换相过电压：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,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,避雷器,静电感应过电压抑制电容,阀侧浪涌过电压抑制,阀侧浪涌过电压抑制反向阻断式RC电路,压敏电阻过电压抑制,换相过电压抑制,直流侧过电压抑制,阀器件关断过电压抑制RCD电路,变压器静电屏蔽层,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,2、过电压保护措施及配置位置,各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种RC,3,和RCD为抑制,内因过电压,的措施2、过电压保护措施,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,RC过电压抑制电路联结方式,a)单相b)三相,反向阻断式过电压抑制用RC电路,抑制外因过电压来采用,RC,过电压抑制电路对大容量的电力电子装置，可采用图9-12所示的,反向阻断式RC,电路。

采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压,也是较常用的措施9.2.2 过电流保护,过电流分过载和短路两种情况过电流保护措施及其配置位置,快速熔断器,、,直流快速断路器,和,过电流继电器,是较为常用的措施，一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性通常，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快速熔断器,电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施,快熔对器件的保护方式分两种：全保护和短路保护,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,短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用,9.2.2 过电流保护,作用,：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,分类：,关断缓冲电路,（du/dt抑制电路、缓冲电路）,吸收器件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,将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起,9.2.3 缓冲电路,按储能元件情况,分类,：,耗能式缓冲电路,：,电路中储能元件的能量消耗在吸收电阻上,馈能式缓冲电路,：,电路中储能元件的能量回馈给负载或电源,9.2.3 缓冲电路,常用缓冲电路,di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路,用于中等容量器件,9.2.3 缓冲电路,常用缓冲电路,di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路,无缓冲电路,：V开通时电流迅速上升，d,i,/d,t,很大,关断时d,u,/d,t,很大，并出现很高的过电压,9.2.3 缓冲电路,常用缓冲电路,di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路,有缓冲电路,：V开通时：,C,s,通过,R,s,向V放电，使,i,C,先上一个台阶，以后因有,L,i,，,i,C,上升速度减慢；V关断时：负载电流通过VD,s,向,C,s,分流，减轻了V的负担，抑制了d,u,/d,t,和过电压,9.2.3 缓冲电路,关断时的负载曲线,无缓冲电路时,：,u,CE,迅速升，,L,感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后,i,C,才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C,有缓冲电路时,：,C,s,分流使,i,C,在,u,CE,开始上升时就下降，负载线经过D到达C,9.2.3 缓冲电路,另外两种缓冲电路,RC吸收电路,用于小容量器件,放电阻止型RCD吸收电路,用于中或大容量器件,9.2.3 缓冲电路,当单个器件的电压或电流定额不能满足要求时，,需将,器件,串联或并联或者将,装置,串联或并联。

9.3 电力电子器件的串联使用和并联使用,目的,：当晶闸管额定电压小于要求时，可以同型号器件串联,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,1、静态不均压问题,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,9.3.1 晶闸管的串联,后果,：,承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一,个器件承担全部电压也导通，失去控制作用,反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随,之击穿,9.3.1 晶闸管的串联,静态均压措施：,1）选用参数和特性尽量一致的器件,2）采用电阻均压，R,p,的阻值应比器件阻断时的正、反,向电阻小得多,9.3.1 晶闸管的串联,2、动态不均压问题,由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压,9.3.1 晶闸管的串联,动态均压措施：,1）选择动态参数和特性尽量一致的器件,2）。