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1、第三章第三章 全控型器件的驱动及其他共性问题全控型器件的驱动及其他共性问题第一节第一节典型全控型电力电子器件的驱动典型全控型电力电子器件的驱动第二节第二节电力电子器件的保护电力电子器件的保护第三节第三节电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路第四节第四节电力电子器件的串、并联使用电力电子器件的串、并联使用第一节第一节 典型全控型电力电子器件的驱动典型全控型电力电子器件的驱动一、驱动电路概述一、驱动电路概述 1.驱动电路定义：驱动电路定义：主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口 2.驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：n将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换使电将电子电
2、路传来的信号按控制目标的要求，转换使电力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端之间）之间）n对半控型器件只需提供开通控制信号；对半控型器件只需提供开通控制信号；n对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。断控制信号。3.驱动电路的形式驱动电路的形式v 分立元件构成分立元件构成v 专用的集成驱动电路专用的集成驱动电路4.控制电路与主电路之间的电气隔离环节控制电路与主电路之间的电气隔离环节v磁隔离磁隔离的元件通常是脉冲变压器的元件通常是脉冲变压器v光光隔隔离离一一般般采采用用光光耦耦合
3、合器器(光光耦耦）。其其连连接接类型分别有普通型、高速型、高传输比型。类型分别有普通型、高速型、高传输比型。归纳归纳 1 1驱动电路 主电路与控制电路之间的接口性能良好的驱动电路使电力电子器件性能良好的驱动电路使电力电子器件理想的理想的开关状态开关状态缩短开缩短开关时间关时间减小开减小开关损耗关损耗对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义驱动电路的基本任务 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。驱动电路驱动电路对半控型器件提对半控型器件提供开通控制信号供开通控制信号关断信号关断信
4、号开通信号开通信号对全控型器件对全控型器件提供提供驱动电路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）。驱动电路加在电力电子器件驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号控制端和公共端之间信号电流驱动型电流驱动型电压驱动型电压驱动型晶闸管晶闸管电流驱动型器件电流驱动型器件半控型器件半控型器件触发电路 晶闸管的驱动电路 归纳归纳 25.电流驱动型和电压驱动型：电流驱动型和电压驱动型：根根据据驱驱动动电电路路加加在在电电力力电电子子器器件件控控制制端端和和公公共共端端之之间间的的信信号号的的性性质质，将将电电力力电电子子器器件件分分为为电电流驱动型和电压驱动型。流驱动型和电
5、压驱动型。二、驱动电路二、驱动电路1.电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR）GTO的的开开通通控控制制：与与普普通通晶晶闸闸管管相相似似，但但对对脉脉冲冲前前沿沿的的幅幅值值和和陡陡度度要要求求高高，且且一一般般需需在在整整个个导导通通期期间间施施加加正正门门极电流；极电流；关关断断：施施加加负负门门极极电电流流，对对其其幅幅值值和和陡陡度度的的要要求求更更高高，关关断断后后还还应应在在门门阴阴极极施施加加约约5V的的负负偏偏压压以以提提高高抗抗干干扰扰能能力。力。推荐的推荐的GTO门极电压门极电压电流波形电流波形GTO驱驱动动电电路路通通常常包包括括：开开通通电电
6、路路、关关断断电电路路和和门极反偏电路门极反偏电路三部分。三部分。典型典型典型典型GTOGTO驱动电路的解释：驱动电路的解释：驱动电路的解释：驱动电路的解释：vv二极管二极管二极管二极管VDVD1 1和电容和电容和电容和电容C C1 1提供提供提供提供+5+5V V电压电压电压电压vvVDVD2 2、VDVD3 3、C C2 2、C C3 3构构构构成成成成倍倍倍倍压压压压整整整整流流流流电路提供电路提供电路提供电路提供+15+15V V电压。电压。电压。电压。vvVDVD4 4和电容和电容和电容和电容C C4 4提供提供提供提供-15-15V V电压电压电压电压vvV V1 1开通时，输出正
7、强脉冲开通时，输出正强脉冲开通时，输出正强脉冲开通时，输出正强脉冲vvV V2 2开通时输出正脉冲平顶部分开通时输出正脉冲平顶部分开通时输出正脉冲平顶部分开通时输出正脉冲平顶部分vvV V2 2关断而关断而关断而关断而V V3 3开通时输出负脉冲开通时输出负脉冲开通时输出负脉冲开通时输出负脉冲vvV V3 3关断后关断后关断后关断后R R3 3和和和和R R4 4提供门极负偏压提供门极负偏压提供门极负偏压提供门极负偏压栅栅源源间间、栅栅射射间间有有数数千千皮皮法法（PF)的的电电容容，为为快快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；开开通通的的驱驱动动电
8、电压压应应达达一一定定值值：MOSFET1015V，IGBT1520V；关关断断时时施施加加一一定定幅幅值值的的负负驱驱动动电电压压-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗；有利于减小关断时间和关断损耗；在在栅栅极极串串入入一一只只低低值值电电阻阻（数数十十欧欧左左右右）可可以以减减小小寄寄生生振振荡荡，该该电电阻阻阻阻值值应应随随被被驱驱动动器器件件电电流流额额定值的增大而减小。定值的增大而减小。2.电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路电电力力MOSFET的的一一种种驱驱动动电电路路：电电气气隔隔离离和和晶晶体体管管放大电路两部分放大电路两部分v无无输输入入信信号号时时高高速速
9、放放大大器器A输输出出负负电电平平,V3导导通通输出负驱动电压输出负驱动电压v当当有有输输入入信信号号时时A输输出出正正电电平平，V2导导通通输输出出正正驱动电压驱动电压电力电力MOSFET的的一种驱动电路一种驱动电路IGBT的驱动的驱动多采用专用的混合集成驱动器多采用专用的混合集成驱动器第二节第二节 电力电子器件的保护电力电子器件的保护一、一、过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护外因过电压外因过电压:主要来自雷击和系统中的操作过程等外因主要来自雷击和系统中的操作过程等外因(1)操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2)雷击过电压：由雷击引起
10、（雷击过电压：由雷击引起（浪涌过电压浪涌过电压）内因过电压内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程主要来自电力电子装置内部器件的开关过程(1)换换相相过过电电压压：晶晶闸闸管管或或与与全全控控型型器器件件反反并并联联的的二二极极管管在在换换相相结结束束后后不不能能立立刻刻恢恢复复阻阻断断，因因而而有有较较大大的的反反向向电电流流流流过过，当当恢恢复复了了阻阻断断能能力力时时，该该反反向向电电流流急急剧剧减减小小，会会由线路电感在器件两端感应出过电压；由线路电感在器件两端感应出过电压；(2)关关断断过过电电压压：全全控控型型器器件件关关断断时时，正正向向电电流流迅迅速速降降低而由线路电
11、感在器件两端感应出的过电压。低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过电压的产生过电压的产生过电压过电压外外因过电压因过电压内内因过电压因过电压操作过电压操作过电压雷击过电压雷击过电压换相过电压换相过电压关断过电压换相过电压换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束 后不能立刻恢后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压关断过电压 全控型器
12、件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感全控型器件关断时，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。应出的过电压。电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形，如图所示：，如图所示：针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，称为吸收回路。称为吸收回路。（1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关断过电压）断过电压）（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻外
13、形同瓷介电容压敏电阻外形同瓷介电容特性曲线同正反相稳压管特性曲线同正反相稳压管压敏电阻的接法压敏电阻的接法：a)a)单相联接单相联接b)b)三相星形联接三相星形联接二、过电流的产生及保护二、过电流的产生及保护1.产生：产生：短路、过载时会产生过电流短路、过载时会产生过电流2.保护：保护：快速熔断器（快速熔断器（IT(AV)IFUITM）快速熔断器保护的接法快速熔断器保护的接法a)串于桥臂中串于桥臂中 b)串于交流侧串于交流侧 c)串于直流侧串于直流侧 银质银质熔丝熔丝石英沙石英沙过电流保护过电流保护过电流保过电流保护措施护措施过电流继电器过电流继电器快速熔断器快速熔断器直流快直流快速断路器速断
14、路器同时采用几种过电流保护措施，同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性提高可靠性和合理性过电流过电流短路时的部分区段的短路时的部分区段的保护保护整定在电子电路动作之后实整定在电子电路动作之后实现保护现保护整定在过载时动作整定在过载时动作短路短路过载过载过电流保护措施及配置位置缓冲电路缓冲电路（吸收电路）作用（吸收电路）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。关断缓冲电路（关断缓冲电路（du/dtdu/dt抑制电路）抑制电路）用于吸收器件的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（开通缓冲电路（di/dtdi/dt抑制电路）抑
15、制电路）用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗缓冲电路缓冲电路复合缓冲电路复合缓冲电路 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上馈能式缓冲电路馈能式缓冲电路（无损吸收电路）（无损吸收电路）缓冲电路中储能元件的能量回馈给负载或电流第三节 电力电子器件的缓冲电路第四节第四节 电力电子器件的串、并联使用电力电子器件的串、并联使用一、晶闸管的串联使用一、晶闸管的串联使用目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。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。3.串联使用时要均压措施：一般串联使用时
16、要均压措施：一般在器件上并联阻值相等的电阻。在器件上并联阻值相等的电阻。静态均压措施静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件；选用参数和特性尽量一致的器件；采用电阻均压，采用电阻均压，Rj的阻值应比器的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。件阻断时的正、反向电阻小得多。动态均压动态均压措施措施通常在元件两端并联通常在元件两端并联R R、C C阻容吸阻容吸收回路，它既可起过电压保护作收回路，它既可起过电压保护作用，又可利用电容电压不能用，又可利用电容电压不能突突变变而减慢元件上的而减慢元件上的电压变电压变化以实现化以实现动态均压的目的动态均压的目的 目的：目的：多个器件并联来承担较大的电流。多
17、个器件并联来承担较大的电流。问问题题：SCR会会分分别别因因静静态态和和动动态态特特性性参参数数的的差差异异而而电流分配不均匀。电流分配不均匀。二、晶闸管的并联使用二、晶闸管的并联使用a）电阻均流法：电阻均流法：均流电阻阻值大于均流电阻阻值大于均流电阻阻值大于均流电阻阻值大于SCRSCR导通时的内阻导通时的内阻导通时的内阻导通时的内阻b）电抗均流法电抗均流法电力MOSFET并联运行的特点 Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特
18、点 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数。在以上的区段则具有正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。三、电力MOSFET和IGBT并联运行的特点本章小结本章小结n 全控型电力电子器件按电流控制型和电压控制型两种分类，全控型电力电子器件按电流控制型和电压控制型两种分类，各自对驱动电路的基本要求以各有特点。驱动电路形式多样，本各自对驱动电路的基本要求以各有特点。驱动电路形式多样，本章仅对典型又常用的电路，特别是常用的集成驱动芯片作一些介章仅对典型又常用的电路，特别是常用的集成驱动芯片作一些介绍。绍。n 晶闸管的应用中更多地强调过电压、过电流及其相应的保护晶
19、闸管的应用中更多地强调过电压、过电流及其相应的保护措施。过电压主要是指操作过电压和浪涌过电压两类；引起过电措施。过电压主要是指操作过电压和浪涌过电压两类；引起过电流的因素很多，如过载或短路。防止过压和过流的保护措施成熟，流的因素很多，如过载或短路。防止过压和过流的保护措施成熟，书中给出了保护电路的元件参数及选择的经验公式。书中给出了保护电路的元件参数及选择的经验公式。n 全控型器件的工作频率比晶闸管要高得多，因此，开通与关全控型器件的工作频率比晶闸管要高得多，因此，开通与关断损耗是影响开关器件正常运行的重要因素，减少器件的开关损断损耗是影响开关器件正常运行的重要因素，减少器件的开关损耗是正确使用器件的必备措施，缓冲电路的主要作用也正是如此。耗是正确使用器件的必备措施，缓冲电路的主要作用也正是如此。缓冲电路有开启、关断等多种电路结构，其目的就是改善器件的缓冲电路有开启、关断等多种电路结构，其目的就是改善器件的开关轨迹，进而减少开关损耗。开关轨迹，进而减少开关损耗。