第9章電力電子器件應(yīng)用的共性問題

1、第第9 9章章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題電力電子器件應(yīng)用的共性問題 9.1 9.1 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動 9.2 9.2 電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù) 9.3 9.3 電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用 本章小結(jié)本章小結(jié)2/269.1 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動 9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述 9.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路 9.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路 3/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路 是電力電子主電路與控制電路之間的接口。 良好的驅(qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)

2、狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。 對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(wù) 按控制目標(biāo)的要求給器件施加開通或關(guān)斷的信號。 對半控型器件只需提供開通控制信號；對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。4/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器 光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。 有普通、高速和高傳輸比三種類型。 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器 當(dāng)脈沖較寬

3、時，為避免鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制和解調(diào)的方法。 ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖圖9-1 光耦合器的類型及接法光耦合器的類型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高傳輸比型高傳輸比型 5/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路的分類 按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類。 晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路。 驅(qū)動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路。 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。 為達(dá)到參數(shù)最

4、佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。9.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖圖9-2理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（脈沖前沿上升時間（1 s）t1t3強(qiáng)脈沖寬度強(qiáng)脈沖寬度t1t4脈沖寬度脈沖寬度觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求 寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，比如對感性和反電動勢負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。 應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12A/s。 不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。

5、 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。 作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶SCR在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。 還包括對其觸發(fā)時刻進(jìn)行控制的相位控制電路。IM強(qiáng)脈沖幅值（強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）I脈沖平頂幅值（脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT） 7/269.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路圖圖9-3 常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路 由V1V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。 當(dāng)V1V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 VD1和R3是為了V1V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?/p>

6、時脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。8/269.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路OttOuGiG圖圖9-4 推薦的推薦的GTO門極電壓電流波形門極電壓電流波形GTO 開通控制與普通晶閘管相似，但對觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流，使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對其幅值和陡度的要求更高。 常用于大容量電路場合，驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。 幅值需達(dá)陽極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/s，強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約30s，負(fù)脈沖總寬約100s 施加約5V的負(fù)偏壓，以提高抗

7、干擾能力。電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 GTO和GTR是電流驅(qū)動型器件。9/269.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路tOibGTR 開通的基極驅(qū)動電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。 關(guān)斷時，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。圖圖9-6 理想的理想的GTR基極驅(qū)動電流波形基極驅(qū)動電流波形VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖圖9-7 GTR的一種驅(qū)動電路的一種驅(qū)動電路 10/269.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電

8、路典型全控型器件的驅(qū)動電路圖圖9-8 電力電力MOSFET的一種驅(qū)動電路的一種驅(qū)動電路電力MOSFET 包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；當(dāng)無輸入信號時高速放大器A輸出負(fù)電平，V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓，當(dāng)有輸入信號時A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓。 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。 為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻。 使電力MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取1015V，使IGBT開通的柵射極間驅(qū)動電壓一般取15 20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取 -5 -15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。 11/269.1.3

9、 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路圖圖9-9 M57962L型型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖驅(qū)動器的原理和接線圖 專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。 IGBT 多采用專用的混合集成驅(qū)動器，常用的有三菱的M579系列（M57962L、M57959L）和富士的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850、EXB851）。12/269.2 電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù) 9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù) 9.2.2 過電流保護(hù) 9.

10、2.3 緩沖電路13/269.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。 外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓。 雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。 關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。 14/269.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過

11、電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)圖圖9-10過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D變壓器靜電屏蔽層變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路電路RV壓敏電阻過電壓抑制器壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用閥器件換相過電壓抑制用RC電路電路RC4直流側(cè)直流側(cè)RC抑制電路抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路電路過電壓抑制措施及配置位置 各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。 RC3和

12、RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施。 9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)圖圖9-11 RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相單相b)三相三相圖圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用反向阻斷式過電壓抑制用RC電路電路抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路。對大容量的電力電子裝置，可采用反向阻斷式RC電路。采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。 16/269.2.2 過電流保護(hù)過電流保護(hù)圖圖9-13 過電流保護(hù)措施及配置位置過電流保護(hù)措施及配置位置過電流分過載和短路兩種情況。 過電流保護(hù)措施及其配置位置

13、 快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。 電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。 17/269.2.2 過電流保護(hù)過電流保護(hù)快速熔斷器（簡稱快熔） ：最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。 選擇快熔時應(yīng)考慮 電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。 快熔的 t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許 t值。為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。

14、 快熔對器件的保護(hù)方式可分為全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。 全保護(hù)：過載、短路均由快熔保護(hù)，適于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，器件對電流的響應(yīng)是最快的。I2I29.2.3 緩沖電路緩沖電路緩沖電路：抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路關(guān)斷緩沖電路：又稱du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路：又稱di/d

15、t抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。復(fù)合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起。 還可分為耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路 耗能式緩沖電路 ：儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。饋能式緩沖電路 ：能將其儲能元件的能量回饋給負(fù)載或電源。9.2.3 緩沖電路緩沖電路b)tuCEiCOd idt抑制電路時無didt抑制電路時有有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖圖di/dt抑制電路和充放電型抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形緩沖電路及波形緩沖電路在無緩沖電路的情況下，di/dt很大，關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。在有緩沖電路的情況下 V開通時

16、，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因為Li的作用，iC的上升速度減慢。 V關(guān)斷時，負(fù)載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過電壓。 因為關(guān)斷時電路中電感的能量要釋放，所以還會出現(xiàn)一定的過電壓。 9.2.3 緩沖電路緩沖電路ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖圖9-15 關(guān)斷時的負(fù)載線關(guān)斷時的負(fù)載線關(guān)斷過程 無緩沖電路時，uCE迅速上升，負(fù)載線從A移動到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移動到C。 有緩沖電路時，由于Cs的分流使iC在uCE開始上升的同時就下降，因此負(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C。 負(fù)載線在到達(dá)B時很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負(fù)載

17、線ADC是很安全的，且損耗小。21/269.3 電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用使用 9.3.1 晶閘管的串聯(lián) 9.3.2 晶閘管的并聯(lián) 9.3.3 電力MOSFET的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)22/269.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)圖圖9-17 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施串聯(lián)均壓措施晶閘管的串聯(lián) 當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯(lián)。 靜態(tài)不均壓問題 器件靜態(tài)特性不同而造成。為了靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選用參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。 動態(tài)不均壓問題 器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成。為

18、了動態(tài)均壓，首先應(yīng)選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外還可用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓；對于晶閘管，采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異。 Rp的阻值應(yīng)比任何一個器件阻斷時的正、反向電阻小得多對大型電力電子裝置，當(dāng)單個器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作23/269.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián) 大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流。 晶閘管并聯(lián)就會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而存在電流分配不均勻的問題。 均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器件，此外還可采用均流電抗器；同樣，用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。 當(dāng)需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。 24/269.3.3 電力電力MOSFET的并聯(lián)和的并聯(lián)和IGBT的的并聯(lián)并聯(lián)電力MOSFET的并聯(lián) Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡能力，容易并聯(lián)。 應(yīng)選用Ron、UT、Gfs和輸入電容Ciss盡量相近的器件并聯(lián)。 電路走線和布局應(yīng)盡量對稱。 可在源極電路中串入小電感，起到均流電抗器的作用。IGBT的并聯(lián) 在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負(fù)溫度系數(shù)；在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)；也具有一