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1、第九章电力电子器件应用的共性问题第九章电力电子器件应用的共性问题1第1页，本讲稿共30页9.1 9.1 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动9.2 9.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护9.3 9.3 电力电子器件的串联和并联电力电子器件的串联和并联使用使用 本章小结及作业本章小结及作业学学习习内内容容第2页，本讲稿共30页9.1电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动9.1.1电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述9.1.2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路9.1.3典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路第3页，本讲稿共30页9.1.19.1.1电力电子器件驱动电
2、路概述电力电子器件驱动电路概述使使电电力力电电子子器器件件工工作作在在较较理理想想的的开开关关状状态态，缩缩短短开开关关时时间，减小开关损耗。间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一一些些保保护护措措施施也也往往往往设设在在驱驱动动电电路路中中，或或通通过过驱驱动动电电路实现。路实现。驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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。对对全全控控型型器器件件则则既既要要提提供供开开通通控控
3、制制信信号号，又又要要提提供供关关断断控控制信号。制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口第4页，本讲稿共30页9.1.1 9.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱驱动动电电路路还还要要提提供供控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的电电气气隔隔离离环节，一般采用光隔离或磁隔离。环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器图9-1 光耦合器的类型及接法a)普通型 b)高速型 c)高传输比型第5页，本讲稿共30页9.1.1 9.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动
4、电路概述按照驱动信号的性质分，可分为按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型电流驱动型和和电压驱动型电压驱动型。驱驱动动电电路路具具体体形形式式可可为为分分立立元元件件的的，但但目目前前的的趋趋势势是是采采用用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双双列列直直插插式式集集成成电电路路及及将将光光耦耦隔隔离离电电路路也也集集成成在在内内的的混混合合集集成电路。成电路。为为达达到到参参数数最最佳佳配配合合，首首选选所所用用器器件件生生产产厂厂家家专专门门开开发的集成驱动电路。发的集成驱动电路。分类分类第6页，本讲稿共30页9.1.2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路作作用用：产产生生符符合合要要求求的的门
5、门极极触触发发脉脉冲冲，保保证证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求晶闸管触发电路应满足下列要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。触发脉冲应有足够的幅度。不不超超过过门门极极电电压压、电电流流和和功功率率定定额额，且在可靠触发区域之内。且在可靠触发区域之内。有有良良好好的的抗抗干干扰扰性性能能、温温度度稳稳定定性性及及与主电路的电气隔离。与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4图图9-2理想的晶闸管触发脉理想的晶闸管触发脉冲电流波形冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t
6、1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路第7页，本讲稿共30页9.1.2 9.1.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路V1、V2构成构成脉冲放大环节脉冲放大环节。脉冲变压器脉冲变压器TM和附属电路和附属电路构成构成脉冲输出环节脉冲输出环节。V1、V2导通时，通过脉冲变导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。极之间输出触发脉冲。图图9-3常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路第8页，本讲稿共30页9.1.39.1.3 典
7、型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(1)GTOGTO的的开开通通控控制制与与普普通通晶闸管相似。晶闸管相似。GTO关关断断控控制制需需施施加加负负门门极电流。极电流。图图9-4推荐的推荐的GTO门极电压电流波形门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱驱动动电电路路通通常常包包括括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和和门门极极反反偏偏电电路路三三部部分分，可可分分为为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式式和和直直接耦合式接耦合式两种类型。两种类型。第9页，本讲稿共30页9.1.3典型全控型器件的驱动
8、电路典型全控型器件的驱动电路直直接接耦耦合合式式驱驱动动电电路路可可避避免免电电路路内内部部的的相相互互干干扰扰和和寄寄生生振振荡荡，可可得得到较陡的脉冲前沿。到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。图图9-5典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驱动电路驱动电路第10页，本讲稿共30页9.1.3 9.1.3 9.1.3 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路开开通通驱驱动动电电流流应应使使GTR处处于于准准饱饱和和导导通通状状态态，使使之之不不进进入入放放大大区区和和深深饱
9、饱和和区。区。关关断断GTR时时，施施加加一一定定的的负负基基极极电电流流有有利利于于减减小小关关断断时时间间和和关关断断损损耗。耗。关关断断后后同同样样应应在在基基射射极极之之间间施施加加一一定幅值（定幅值（6V左右）的负偏压。左右）的负偏压。tOib 图9-6 理想的GTR基极驱动电流波形(2)GTR第11页，本讲稿共30页9.1.3 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTR的的一一种种驱驱动动电电路路，包包括括电电气气隔隔离离和和晶晶体体管管放放大大电电路路两两部部分。分。图图9-7GTR的一种驱动电路的一种驱动电路驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司
10、的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。第12页，本讲稿共30页9.1.3 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力电力MOSFET和和IGBT是是电压驱动型器件电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFET开开通通的的驱驱动动电电压压一一般般1015V，使使IGBT开开通通的的驱驱动动电压电压一般一般1520V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取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。）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值
11、电阻可以减小寄生振荡。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。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第13页，本讲稿共30页9.1.3 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1)电力电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分图9-8电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力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-10V。第14页，本讲稿共30页9.1.3 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动
12、电路2)IGBT的驱动的驱动图9-9M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。多采用专用的混合集成驱动器。第15页，本讲稿共30页9.2电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护9.2.1过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护9.2.2过电流保护过电流保护9.2.3缓冲电路缓冲电路第16页，本讲稿共30页9.2.1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：主要来自雷击和系统操作过程等外因外因过电压：主要来自雷
13、击和系统操作过程等外因操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压雷击过电压：由雷击引起：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程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，反反向向电电流流急急剧剧减减小小，会会由由线线路路电电感感在在器器件件两两端端感感应应出过电压。出过电压。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低而而由由线线路路电电感在器件两端感应出的过电压。
14、感在器件两端感应出的过电压。电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压和内因过电压内因过电压第17页，本讲稿共30页9.2.1过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图9-10过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于
15、缓冲电路范畴。第18页，本讲稿共30页9.2.2过电流保护过电流保护过电流过电流过载过载和和短路短路两种情况两种情况保护措施保护措施负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。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。图9-13过电流保护措施及配置位置第19页，本讲稿共30页9.2.2 9.2.2 过电流保护过电流保护全全保保护护：过过载载、短短路路均均由由快快熔熔进进
16、行行保保护护，适适用用于于小小功率装置或器件裕度较大的场合。功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对对重重要要的的且且易易发发生生短短路路的的晶晶闸闸管管设设备备，或或全全控控型型器器件，需采用电子电路进行过电流保护。件，需采用电子电路进行过电流保护。常常在在全全控控型型器器件件的的驱驱动动电电路路中中设设置置过过电电流流保保护护环环节节，响应最快响应最快。快熔对器件的保护方式：全全保保护护和短短路路保保护护两种第20页，本讲稿共30页9.2.3 9.2.3 缓冲电路缓冲电路关关断断缓缓冲冲电电路路（du/
17、dt抑制电路）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。开开通通缓缓冲冲电电路路（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。复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗耗能能式式缓缓冲冲电电路路和馈馈能能式式缓缓冲冲电电路路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路吸收电路，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。第21页，本讲稿共30页b)tuCEiCOdid
18、t抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC9.2.3缓冲电路缓冲电路缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路：无缓冲电路：有缓冲电路：有缓冲电路：图9-14di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路 b)波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO 图9-15关断时的负载线第22页，本讲稿共30页9.2.3 9.2.3 缓冲电路缓冲电路充充放放电电型型RCD缓缓冲冲电电路路，适适用用于中等容量的场合。于中等容量的场合。图9-14di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或
19、大容量器件。图9-16另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路第23页，本讲稿共30页9.3电力电子器件器件的串联和并联使用电力电子器件器件的串联和并联使用9.3.1晶闸管的串联晶闸管的串联9.3.2晶闸管的并联晶闸管的并联9.3.3电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点第24页，本讲稿共30页9.3.1晶闸管的串联晶闸管的串联问问题题：理理想想串串联联希希望望器器件件分分压压相相等等，但但因因特特性性差差异异，使器件电压分配不均匀。使器件电压分配不均匀。静静态态不不均均压压：串串联联的的器器件件流流过过的的漏漏电电流流相相同同，但但因因静静态伏
20、安特性的分散性，各器件分压不等。态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。目目的的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。第25页，本讲稿共30页9.3.1晶闸管的串联晶闸管的串联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。采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图9-17晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动
21、态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。第26页，本讲稿共30页9.3.2晶闸管的并联晶闸管的并联问问题题：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电流流分分配不均匀。配不均匀。均流措施均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当当需需要要同同时时串串联联和和并并联联晶晶闸闸管管时时，通通常常采采用用先先串串后后并并的的方法联接。方法联接。目的目的：多个器件并联来承担较大的电流第27页，本讲稿共30页9.3.3电力电力MOS
22、FET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用注意选用Ron、UT、Gfs和和Ciss尽量相近的器件并联。尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点并联运行的特点在在1/2或或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有额定电流以下的区段，通态压降具有负负温度系数。温度系数。在以上的区段则具有在以上的区段则具有正正温度系数。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。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点第28页，本讲稿共30页本章小结本章小结主要内容主要内容集集中中讨讨论论电电力力电电子子器器件件的的驱驱动动、保保护护和和串串、并联使用。并联使用。第29页，本讲稿共30页本章作业本章作业习题及思考题习题及思考题1、2、3、4、5、6、7、8、9第30页，本讲稿共30页