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1、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护本讲稿第一页，共四十四页第第4章章 电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护电力电子器件以不同的电路拓扑构成不同的电力电子电路，实现各种电能转换与控制功能。为使电力电子电路能够稳定运行并获得优良电能，需要对电力电子器件进行可靠的驱动、控制与保护。本章讲述典型触发、驱动和缓冲保护电路的组成、工作原理和特点。本章要求熟悉常用电力电子器件的基本驱动电路与保护方法。本讲稿第二页，共四十四页4.1 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 4.1.1 晶闸管触发电路晶闸管触发电路4.1.2 GTO驱动电路驱动电路4.1.3 GTR驱动电路驱动电路4.1
2、.4 IGBT驱动电路驱动电路本讲稿第三页，共四十四页4.1 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动电力电子电路中各种驱动电路的电路结构取决于开关器件的类型、主电路的拓扑结构和电压电流等级。采用性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护环节，如控制电路与主电路之间的电气隔离环节及对整个电路的缓冲环节等，也设在驱动电路或通过驱动电路来实现，这些都使得驱动电路的设计尤为重要。本讲稿第四页，共四十四页4.1.1 晶闸管触发电路晶闸管触发电路1.晶闸管对触发电路的要求晶闸
3、管对触发电路的要求1)触发信号应有足够大的功率2)触发脉冲的同步及移相范围3)触发脉冲信号应有足够的宽度，且前沿要陡4)为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲5)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离本讲稿第五页，共四十四页4.1.1 晶闸管触发电路晶闸管触发电路2.同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路 图图4.2 同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路本讲稿第六页，共四十四页4.1.1 晶闸管触发电路晶闸管触发电路3.集成化晶闸管移相触集成化晶闸管移相触发电路发电路 图图4.6 KC04引脚图引脚图 图图4.7 KC04电路各引脚
4、电压波形电路各引脚电压波形 本讲稿第七页，共四十四页4.1.1 晶闸管触发电路晶闸管触发电路引脚号符号功能用法1In-PV同相脉冲输出端接正半周应导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器2NC空脚3CT锯齿波电容连接端通过电容接4脚4uT锯齿波电压输出端通过电阻接移项综合端5-UCC工作负电源输入端接用户系统负电源6NC空脚7GND接地端，为整个电路提供一参考地端接用户的控制电源地端8uS同步电源信号输入端接同步变压器的二次侧，同步电压为30V本讲稿第八页，共四十四页4.1.1 晶闸管触发电路晶闸管触发电路引脚号符号功能用法9u移项、偏置及同步信号综合端分别通过三个等值电阻接锯齿波、偏置电压及移
5、项电压10NC空脚11uP方波脉冲输出端，该端的输出信号反映了移项脉冲的相位通过一电容接12脚12UW脉宽信号输入端，该端与11脚所接电容的大小反映了输出脉冲的宽度接调制脉冲源输出或保护电路输出13UC-负脉冲调制及封锁控制端，通过该端输入信号的不同，可对负输出脉冲进行调制或封锁接调制脉冲源输出或保护电路输出14UC+正脉冲调制及封锁控制端，通过该端输入信号的不同，可对正输出脉冲进行调制或封锁接调制脉冲源输出或保护电路输出15Out-PV反向脉冲输出端接负半周应导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器16+UCC系统正电源输入端接控制电路电源本讲稿第九页，共四十四页4.1.1 晶闸管触发电路晶闸
6、管触发电路4.数字触发电路数字触发电路在各种数字触发电路中，目前使用较多的是以微机为控制核心的数字触发器。这种触发电路的特点是结构简单，控制灵活，准确可靠。该触发器由脉冲同步、脉冲移相、脉冲形成与输出等几个部分构成。图图4.9 单片机数字触发器的原理框图单片机数字触发器的原理框图本讲稿第十页，共四十四页4.1.2 GTO驱动电路驱动电路1.GTO对门极驱动电路的基本要求对门极驱动电路的基本要求GTO的门极驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，其结构示意图及其理想的门极驱动电流波形如图4.10所示。图图4.10 门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形门极驱动电路
7、结构示意图及理想的门极驱动电流波形本讲稿第十一页，共四十四页4.1.2 GTO驱动电路驱动电路2.门极驱动电路实例门极驱动电路实例1)小容量小容量GTO门极驱动门极驱动电路电路图4.11是一种小容量的GTO门极驱动电路。图图4.11 门极驱动电路实例门极驱动电路实例1本讲稿第十二页，共四十四页4.1.2 GTO驱动电路驱动电路2)双电源光电耦合双电源光电耦合GTO门极驱动电路门极驱动电路图图4.12 门极驱动电路实例门极驱动电路实例2 本讲稿第十三页，共四十四页4.1.3 GTR驱动电路驱动电路1.对基极驱动电路的基本要求对基极驱动电路的基本要求控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡(小于1)，并
8、有一定的过冲电流，以缩短开通时间，减小开通损耗。GTR导通后，应相应减小驱动电流，使GTR处于准饱和导通状态，且使之不进入放大区和深饱和区，以降低驱动功率，缩短储存时间。GTR关断时，应迅速加上足够大的反向基极电流，迅速抽取基区的剩余载流子，确保GTR快速关断，并减小关断损耗。GTR的驱动电路要具有自动保护功能，以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号，避免GTR遭至损坏。图图4.13 理想的理想的GTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形 本讲稿第十四页，共四十四页4.1.3 GTR驱动电路驱动电路2.贝克钳位电路贝克钳位电路为了提高GTR的工作速度，都以抗饱和的贝克钳位电路作为基本电路。它使
9、GTR工作在准饱和状态，提高了器件开关过程的快速性能，因此成为一种被广泛采用的基本电路。电路的具体形式如图4.14所示。图图4.14 贝克钳位电路贝克钳位电路 本讲稿第十五页，共四十四页4.1.3 GTR驱动电路驱动电路3.基极驱动电路实例基极驱动电路实例1)由分立元件组成的驱动电路由分立元件组成的驱动电路图图4.15 GTR基极驱动电路基极驱动电路本讲稿第十六页，共四十四页4.1.3 GTR驱动电路驱动电路2)集成化基极驱动电路集成化基极驱动电路由分立元件组成的基极驱动电路都存在着电路组件多、电路复杂、稳定性差和使用不便等缺点。大规模集成化基极驱动电路的出现不但解决了这些问题，同时还增加了电
10、路保护功能。图图4.16 UAA4002引脚图引脚图本讲稿第十七页，共四十四页4.1.4 IGBT驱动电路驱动电路1.对栅极驱动电路的基本要求对栅极驱动电路的基本要求由于IGBT的栅-射极之间有数千皮法左右的极间电容，为加快建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的内阻。同时用内阻小的驱动源对电容冲放电，可以保证栅极控制电压的前后沿足够陡峭，从而使IGBT快速开通和关断，并减少开关损耗。栅极驱动电源的功率要足够大，这样可以保证在IGBT导通后，其功率输出级总是处于饱和状态。而当瞬时过载时，足够大的驱动功率也足以保证IGBT不退出饱和区，以使IGBT的开关可靠，并避免在开通期间因退饱和而损坏。要提供大
11、小合适的正向驱动电压。当正向驱动电压增加时，IGBT的通态压降和开关损耗均将下降；但若过大，则在负载短路过程中，IGBT的集电极电流也随的增大而增大，使IGBT能承受电流的时间减小，不利于其本身的安全，因此也不宜选得过大，合适的取值为1215V。本讲稿第十八页，共四十四页4.1.4 IGBT驱动电路驱动电路要提供大小合适的反向驱动电压。IGBT关断时，在栅极和发射极间施加反向电压()可防止因关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，并使IGBT快速关断。但反向驱动电压也不能过高，否则会造成栅-射极反向击穿。一般取反向电压数值为510V。要提供合适的开关时间。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开
12、关损耗。但在大电感负载情况下，开关时间过短会产生很高的尖峰电压，造成元器件击穿。因此提供合适的开关时间，才能保证IGBT正常工作并不致损坏。要有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。驱动电路与信号控制电路要严格进行电气隔离，防止相互间的干扰；还要有完整的自保护功能。同时，信号控制电路到驱动电路IGBT模块的引线要尽量短，且采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，以免引起干扰。本讲稿第十九页，共四十四页4.1.4 IGBT驱动电路驱动电路2.驱动电路实例驱动电路实例1)分立元件组成的驱动电路分立元件组成的驱动电路实例1图图4.18 采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路本
13、讲稿第二十页，共四十四页4.1.4 IGBT驱动电路驱动电路实例2图图4.19 由脉冲变压器组成的栅极驱动电路由脉冲变压器组成的栅极驱动电路 本讲稿第二十一页，共四十四页4.1.4 IGBT驱动电路驱动电路2)集成驱动电路集成驱动电路同其他的电力电子器件一样，由分立元件组成的IGBT驱动电路也存在着可靠性问题。为此，目前已经研制出多种专用的IGBT集成驱动电路。这些集成化驱动模块抗干扰能力强、速度快、保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。图图4.20 EXB841芯片引脚图芯片引脚图本讲稿第二十二页，共四十四页4.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 4.2.1 电力电子器件的散热技术电
14、力电子器件的散热技术4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护4.2.3 缓冲电路缓冲电路本讲稿第二十三页，共四十四页4.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护电力电子器件在实际应用时，由于各种原因，总可能会发生过电压、过电流甚至短路等现象，若无必要的保护措施，势必会损坏电力电子器件，或者损坏电路。同时，电力电子元器件在工作过程中，要消耗大量的功率，这部分耗散功率转变成热量会使元器件本身的温度升高，若温度过高且不及时处理，同样会造成元器件的损坏。因此，在电力电子电路中，为了避免器件及线路出现损坏，除了电力电子元件参数要选择合适、驱动电路设计良好外，还需要进行必要的散热、设置必要的保护环
15、节和缓冲处理。本讲稿第二十四页，共四十四页4.2.1 电力电子器件的散热技术电力电子器件的散热技术1.结温与器件特性的关系结温与器件特性的关系1)结温与结温与GTO特性的关系特性的关系GTO与普通晶闸管相似，结温会影响正向耐压、反向漏电流、可关断阳极电流，以及关断时间等特性参数。当结温过高时，会使GTO的PN结产生热击穿效应，从而造成耐压急剧下降，如图4.23所示。此外，结温对GTO的动态参数也有很大影响，其开关特性的温度曲线如图4.24所示。图图4.23 PN结对器件特性的影响结对器件特性的影响 图图4.24 开关特性与温度的关系开关特性与温度的关系 本讲稿第二十五页，共四十四页4.2.1
16、电力电子器件的散热技术电力电子器件的散热技术2)结温与结温与GTR特性的关系特性的关系GTR的管芯发热、结温升高主要是受其集电极耗散功率的影响，而耗散功率由集电极工作电压与电流的乘积所决定。3)结温与结温与MOSFET特性的关系特性的关系MOSFET为单极型功率器件，它只有一种载流子导电，因而开关速度快、开关损耗很小。但是它的通态电阻大，通态损耗大。本讲稿第二十六页，共四十四页4.2.1 电力电子器件的散热技术电力电子器件的散热技术2.稳态热阻与散热措施稳态热阻与散热措施1)稳态热阻稳态热阻一般来说，器件散热时的总热阻包括两部分：一是PN结至外壳的内热阻，二是由外壳至散热器的热阻以及散热器至环
17、境介质的热阻构成的外热阻。2)散热措施散热措施减小接触热阻。减小散热器热阻。本讲稿第二十七页，共四十四页4.2.1 电力电子器件的散热技术电力电子器件的散热技术3.散热器的选配散热器的选配散热器的选配原则是保证器件的最高运行结温不超过额定结温。选配散热器时首先要知道所用器件的参数、负载变化情况及工作环境等条件，然后确定器件的耗散功率。由器件耗散功率和额定结温确定必要的散热器热阻，借以确定散热器的型号。本讲稿第二十八页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护1.晶闸管的保护晶闸管的保护1)晶闸管的串并联晶闸管的串并联(1)晶闸管的串联晶闸管的串联(a)电压分配电压分配(b)静
18、态均压静态均压 本讲稿第二十九页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护(2)晶闸管的并联晶闸管的并联(a)电流分配电流分配(b)晶闸管并联电路晶闸管并联电路(a)电阻均流电阻均流(b)电抗均流电抗均流 图图4.27 电阻均流与电抗均流电阻均流与电抗均流 图图4.26 晶闸管并联时的电流分配晶闸管并联时的电流分配 本讲稿第三十页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2)晶闸管的保护晶闸管的保护(1)过电压保护过电压保护按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和元件保护等几部分，如图4.28所示。图图4.28 晶闸管装置可采用的过电压保护措施晶闸
19、管装置可采用的过电压保护措施本讲稿第三十一页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护(2)过电流保护过电流保护图图4.32 晶闸管装置可能采取的过电流保护措施晶闸管装置可能采取的过电流保护措施1进线电抗器；进线电抗器；2电流检测和过流继电器；电流检测和过流继电器；3交流侧快熔；交流侧快熔；4晶闸管串联快熔；晶闸管串联快熔；5直流侧快熔；直流侧快熔；6过流继电器；过流继电器；7直流快速开关直流快速开关本讲稿第三十二页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护(3)电压上升率电压上升率 及其限制及其限制晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升
20、率较大时，结电容充电电流起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措施抑制。晶闸管的RC保护电路可以起到抑制的作用。在每个桥臂串入桥臂电抗器也是防止过大造成晶闸管误导通的有效办法。此外，对于小容量的晶闸管，在其门极和阴极之间接一电容，使产生的充电电流不流过结电容，而通过电容C流到阴极，也能防止因过大而使晶闸管误导通。本讲稿第三十三页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护(4)电流上升率电流上升率 及其限制及其限制晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移导通区才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过程中，电流上升率应限制在通态电流临界上升
21、率以内，否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。增大阻容保护中电阻值可以减小，但会降低阻容保护对晶闸管过电压保护的效果。在晶闸管回路串联电感是限制的有效方法。晶闸管的保护是关系到晶闸管装置能否安全可靠地运行的问题，但对于保护装置的定量计算还没有成熟的和统一的计算方法，有待于进一步研究和实践。本讲稿第三十四页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2.全控型电力电子器件的保护全控型电力电子器件的保护1)GTR的过电流保护的过电流保护 图图4.34 GTR的过电流保护电路的过电流保护电路本讲稿第三十五页，共四十四页4.2.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护2)IGBT的过电流
22、保护的过电流保护(a)电阻保护电路电阻保护电路 (b)霍尔传感器保护电路霍尔传感器保护电路图图4.35 IGBT的过电流保护电路的过电流保护电路本讲稿第三十六页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路1.缓冲电路的基本形式缓冲电路的基本形式缓冲电路通常由电阻、电容、电感及二极管组成，其基本类型可分为关断缓冲电路关断缓冲电路、开通缓冲电路开通缓冲电路和复合缓冲电路复合缓冲电路几种形式。1)关断缓冲电路关断缓冲电路关断缓冲电路又称为抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压。图图4.36 关断缓冲电路关断缓冲电路 本讲稿第三十七页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路2)开通缓冲电路开通缓冲
23、电路开通缓冲电路又称为抑制电路，用于抑制器件开通过程中的电流过冲和。图图4.37 开通缓冲电路开通缓冲电路 本讲稿第三十八页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路3)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所形成的电路称为复合缓冲电路，它可以在GTR关断和开通时均起到保护作用，因而在实际中应用较多。(a)耗能式电路耗能式电路 (b)馈能式电路馈能式电路图图4.38 复合缓冲电路复合缓冲电路本讲稿第三十九页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路2.实用缓冲电路举例实用缓冲电路举例1)用于用于P-MOSFET漏源过电压保护的缓冲电路漏源过电压保护的缓冲电路(a)(b)图图4.39 用于用于P-MOSFET漏源过电压保护的缓冲电路漏源过电压保护的缓冲电路本讲稿第四十页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路2)用于用于IGBT桥臂模块的缓冲电路桥臂模块的缓冲电路(a)小容量小容量 (b)中容量中容量 (c)大容量大容量图图4.40 用于用于IGBT桥臂模块的缓冲电路桥臂模块的缓冲电路本讲稿第四十一页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路本讲稿第四十二页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路本讲稿第四十三页，共四十四页4.2.3 缓冲电路缓冲电路本讲稿第四十四页，共四十四页