第五講 電力電子器件

1、電 力 電 子 技 術(shù)Power Electronic Technology電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.4 4.4 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口 使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義 對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)： 將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使

2、其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào) 對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào) 對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)， 又要提供關(guān)斷控制信號(hào)RsRGRFRLiDuGSup+UE合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.4 4.4 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離電氣隔離環(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 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25 光耦合器的類(lèi)型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程

3、學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.4 4.4 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 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)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路可以采用分立元件來(lái)構(gòu)成，目前的趨勢(shì)是采用專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路：GSDA合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.4 4.4 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 作用作用：產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通廣義上講，還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：晶閘

4、管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： 觸發(fā)脈沖的寬度寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通（結(jié)合擎住電流擎住電流的概念） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度幅度 不超過(guò)門(mén)極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi) 應(yīng)有良好的抗干擾抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離電氣隔離合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.4 4.4 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的原理解釋?zhuān)?V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)（V1和V2接成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)）； 脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)，這里利用了脈沖變壓器原邊的電壓等于電感與電流變化率的乘積的原理在副邊產(chǎn)生了觸發(fā)脈沖開(kāi)始的大電流； V1、V2

5、導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的G和K之間輸出觸發(fā)脈沖； VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)計(jì)。在以后的電路中會(huì)多次出現(xiàn)這種電路的使用。 圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（1s）t1t3強(qiáng)脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）圖1-27 常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路ItIMt1t2t3t4合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1. 1. 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路 GTOGT

6、OGTO的開(kāi)通控制開(kāi)通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門(mén)極電流使GTO關(guān)斷關(guān)斷需施加負(fù)門(mén)極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門(mén)陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力OttOuGiG圖圖1-281-28推薦的推薦的GTOGTO門(mén)極門(mén)極電壓電流波形電壓電流波形5V的負(fù)偏壓合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路路和門(mén)極反偏電路門(mén)極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦脈沖變壓器耦合式合式和直接耦合式直

7、接耦合式兩種類(lèi)型 直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 a)直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路 b)脈沖變壓器耦合式驅(qū)動(dòng)電路 a)為一種直接耦合式門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。電路采用半橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)C1和C2分壓，為GTO的陰極提供零電位?？刂菩盘?hào)uon使得V1導(dǎo)通，為GTO提供觸發(fā)電流；而關(guān)斷信號(hào)uoff使得V2導(dǎo)通，C2的電壓放電產(chǎn)生關(guān)斷負(fù)電流使GTO關(guān)斷。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較強(qiáng)的關(guān)斷能力。 b)為最簡(jiǎn)單的脈沖變壓器耦合門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路

8、，當(dāng)驅(qū)動(dòng)晶體管V導(dǎo)通時(shí)，關(guān)斷GTO。V關(guān)斷時(shí)，利用變壓器中貯能使GTO開(kāi)通。這個(gè)電路最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單且效率高。但由于開(kāi)通僅依靠變壓器在關(guān)斷過(guò)程中存貯的能量對(duì)大容量GTO不太適合。uGAKonoffu+-CC1KG+-V2Aa)b)VV12合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路直接耦合式直接耦合式GTOGTO驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路：二極管VD1和電容C1提供+5V電壓VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開(kāi)通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖V2開(kāi)通時(shí)輸出正脈沖平頂部分V2關(guān)斷而V3開(kāi)通時(shí)輸

9、出負(fù)脈沖V3關(guān)斷后R3和R4提供門(mén)極負(fù)偏壓50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路BAoC合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路路GTRGTR開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR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GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)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1-30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形tOib合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組

10、5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路路GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，V2導(dǎo)通使V3截止，則V4和V5組成的達(dá)林頓電路工作，對(duì)V基極注入驅(qū)動(dòng)電流，使V導(dǎo)通；當(dāng)V1截止時(shí)，V3導(dǎo)通使V6導(dǎo)通，V5截止，則V截止。 vC2為加速開(kāi)通過(guò)程的電容。開(kāi)通時(shí)，R5被C2短路?？蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過(guò)沖，并增加前沿的陡度，加快開(kāi)通GTR目前的驅(qū)動(dòng)也使用集成驅(qū)動(dòng)電路，如三菱公司的M57215BL。VD1AV0V+10V+15VV1V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.1 5.1 典型全控

11、型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 2.2.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路 柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小 使MOSFET開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1520V 關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取 -5-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗 在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。數(shù)值較小的柵極電阻能加快柵極電容的充放電，從而減小開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗，但與此同時(shí)也降低了柵極的抗噪聲能力，并可能導(dǎo)致寄生電感產(chǎn)生振蕩。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程

12、學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路 電力電力MOSFETMOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓 當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓A+-MOSFET20 V20 VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。合肥工業(yè)大學(xué)電

13、氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路IGBT的驅(qū)動(dòng)可使用分立元件組成驅(qū)動(dòng)電路，也可使用IGBT專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路。IGBT專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路可靠性高、體積小，是專(zhuān)用于IGBT的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能于一體的復(fù)合集成電路，主要有富士公司的EXB8XX系列和夏普公司的PC929等 。EXB8XX系列IGBT專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路采用單列直插式封裝，使用單電源20V供電，在輸出腳3和1間產(chǎn)生約15V的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電壓，而通過(guò)內(nèi)部穩(wěn)壓管在輸出腳1和9間產(chǎn)生約-5V的關(guān)斷偏壓。其內(nèi)置過(guò)流保護(hù)電路，可通過(guò)檢測(cè)IGBT在導(dǎo)通過(guò)程中的飽和壓降來(lái)實(shí)施對(duì)IGBT的過(guò)流保

14、護(hù)，同時(shí)提供過(guò)流檢測(cè)輸出信號(hào)，便于外部電路采集。由于其內(nèi)部集成了功率放大電路，在一定程度上提高了驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力。AGCE合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路路 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用電壓電流范圍 標(biāo)準(zhǔn)型驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲時(shí)間為4s，最大運(yùn)行頻率為10kHz；高速型驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)最大延遲時(shí)間為1.5s，最大運(yùn)行頻率為40kHz。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2 5.2 電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù) 5合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.1 5.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓

15、保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù) 電力電子裝置可能的過(guò)電壓電力電子裝置可能的過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓外因過(guò)電壓外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外因 (1) 操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起 (2) 雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起內(nèi)因過(guò)電壓內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程 (1) 換相過(guò)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)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓 (2) 關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力

16、電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.1 5.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù) 過(guò)電壓過(guò)電壓保護(hù)措施保護(hù)措施 S圖1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC閥側(cè)器件換相過(guò)電壓抑制用RC電路壓敏電阻過(guò)電壓抑制器閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路變壓器靜電屏蔽層避雷器閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容直流側(cè)RC抑制電路閥器件關(guān)斷過(guò)電壓抑制用RCD電路合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.1 5.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)+-+-a)b)網(wǎng)側(cè)閥側(cè)直流側(cè)圖1 -35CaRaCaRaCdcRdcCdc

17、RdcCaRaCaRa 圖1-35 RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a) 單相 b)三相外因過(guò)電壓抑制措施中，RC過(guò)電壓抑制電路最為常見(jiàn)，典型聯(lián)結(jié)方式見(jiàn)圖1-35RC過(guò)電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱(chēng)網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱(chēng)閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.1 5.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路圖1-36反向阻斷式過(guò)電壓抑制用RC電路保護(hù)電路參數(shù)計(jì)算可參考相關(guān)工程手冊(cè)其他措施：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件

18、限制或吸收過(guò)電壓電力電子裝置過(guò)電壓抑制電路圖1-36C1R1R2C2合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.2 5.2.2 過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù) 過(guò)電流過(guò)載和短路兩種情況 常用措施：快速熔斷器、直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器 同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性 電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)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(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作圖1-37過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置負(fù)載觸發(fā)電路開(kāi)關(guān)電路過(guò)電流繼電器交流斷路器動(dòng)作電流整定值短路器電流檢測(cè)電子保護(hù)電路快速熔斷器 變流器直流快速斷路器電

19、流互感器變壓器圖1 -37合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.2 5.2.2 過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù) 快速熔斷器快速熔斷器電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：(1)電壓等級(jí)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓確定(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定(3)快熔的I I 2 2t t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I I 2 2t t值(4)為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性 快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種 全保護(hù)：過(guò)載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或

20、器件裕度較大的場(chǎng)合 短路保護(hù)方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.2 5.2.2 過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù) 快速開(kāi)關(guān)用在直流電路中，它的完全分?jǐn)鄷r(shí)間最快為10ms。 過(guò)流繼電器有直流和交流兩種，它們動(dòng)作時(shí)間一般為幾百ms。 在實(shí)際裝置中，為了避免經(jīng)常更換快熔，一般需用較小容量快速開(kāi)關(guān)或過(guò)流繼電器，而同時(shí)選用較大容量的快熔。這樣，在發(fā)生過(guò)流時(shí)，快速開(kāi)關(guān)或過(guò)流繼電器首先動(dòng)作，即使動(dòng)作速度不如快熔，同樣可以保護(hù)器件。經(jīng)過(guò)復(fù)位后，又可正常工作。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.2 5.2.2 過(guò)電

21、流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù) 對(duì)重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件（很難用快熔保護(hù)），需采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù) 一般采用電流互感器檢測(cè)主電路電流，轉(zhuǎn)換成直流電壓后送給電壓比較器，與設(shè)定值進(jìn)行比較。優(yōu)點(diǎn)一是響應(yīng)迅速，二是設(shè)定過(guò)流值方便?；魻栯娏鱾鞲衅骰魻栯娏鱾鞲衅骱戏使I(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.3 5.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路緩沖電路（吸收電路）：吸收電路）： 抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt、過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗 關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸

22、收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗 開(kāi)通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和di/dt，減小器件的開(kāi)通損耗 將關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路結(jié)合在一起復(fù)合緩沖電路 通常將緩沖電路專(zhuān)指關(guān)斷緩沖電路，將開(kāi)通緩沖電路叫做di/dt抑制電路合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.35.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber Circuit）緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析1.無(wú)緩沖電路：V開(kāi)通時(shí)電流迅速上升，d di i/ /d dt t很大關(guān)斷時(shí)d du u/d/dt t很大，并出現(xiàn)很高的過(guò)電壓2.有緩沖電路V開(kāi)通時(shí)：C Cs s通過(guò)Rs

23、向V放電，使i iC C先上一個(gè)臺(tái)階，以后因有L Li i，i iC C上升速度減慢V關(guān)斷時(shí)：負(fù)載電流通過(guò)VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過(guò)電壓VDi和Ri的作用是在V關(guān)斷時(shí)，給Li提供貯能的釋放回路。a)b)圖1-38RiVDLVdidt抑制電路緩沖電路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制電路無(wú)時(shí)didt抑制電路有時(shí)有緩沖電路時(shí)無(wú)緩沖電路時(shí)uCEiC圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a) 電路 b) 波形合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.3 5.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubb

24、er Circuit） 充放電型RCD緩沖電路（圖1-38），適用于中等容量的場(chǎng)合 圖1-40示出另兩種，其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件 圖1-40另外兩種常用的緩沖電路a)RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路L緩沖電路L緩沖電路負(fù)載負(fù)載a)b)圖1-40EdRsCsEdRsCsVDs合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.2.3 5.2.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 緩沖電路中的元件選取及其他注意事項(xiàng)緩沖電路中的元件選取及其他注意事項(xiàng)C Cs s和R Rs s的取值可實(shí)

25、驗(yàn)確定或參考工程手冊(cè) VDVDs s須選用快恢復(fù)二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10 盡量減小線路電感，且選用內(nèi)部電感小的吸收電容 中小容量場(chǎng)合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個(gè)d du u/d/dt t抑制電路 晶閘管在實(shí)用中一般只承受換相過(guò)電壓，沒(méi)有關(guān)斷過(guò)電壓，關(guān)斷時(shí)也沒(méi)有較大的d du u/d/dt t，一般采用RC吸收電路即可合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.3 5.3 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián) 5.3.1 晶閘管的串聯(lián) 5.3.2 晶閘管的并聯(lián) 5.3.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力

26、傳動(dòng)教研組5.3.1 5.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)目的目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián) 問(wèn)題問(wèn)題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻 靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過(guò)的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等 承受電壓高的器件首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用 反向時(shí)，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.3.1 5.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián) 靜態(tài)均壓措施靜態(tài)均壓措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，R Rp p的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、

27、反向電阻小得多圖1-41晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施b)a)圖1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.3.1 5.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián) 動(dòng)態(tài)均壓措施動(dòng)態(tài)均壓措施 動(dòng)態(tài)不均壓由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓 動(dòng)態(tài)均壓措施：選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓采用門(mén)極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開(kāi)通時(shí)間上的差異合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.3.2 5.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián) 目的目的：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流 問(wèn)題問(wèn)題：會(huì)分別因

28、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻，SCR導(dǎo)通后的內(nèi)阻極小是并聯(lián)時(shí)很難均流的根本原因。 均流措施均流措施 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件 采用電阻均流，Rp的阻值應(yīng)顯著大于SCR導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻。（很少采用） 用門(mén)極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流 當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接 采用均流電抗器VT1VT2RPRP合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.3.2 5.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)圖143 晶閘管并聯(lián)均流電路當(dāng)SCR由于伏安特性差別，器件電流趨于不均衡時(shí)，電感阻止各支路電流的變化，以減小各支路電流的差異。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教

29、研組5.3.3 IGBT5.3.3 IGBT的級(jí)聯(lián)的級(jí)聯(lián)合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.45.4電力電子器件應(yīng)用共性問(wèn)題散熱 電力電子器件的散熱電力電子器件在傳遞和處理電能的同時(shí)，也要在管芯上產(chǎn)生相應(yīng)的功率損耗，引起管芯溫度增加。為了保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許結(jié)溫，與最高結(jié)溫對(duì)應(yīng)的器件耗散功率即是器件的最大允許耗散功率。器件正常工作時(shí)不應(yīng)超過(guò)最高結(jié)溫和功耗的最大允許值，否則，器件特性與參數(shù)將要產(chǎn)生變化，甚至導(dǎo)致器件產(chǎn)生永久性的燒壞現(xiàn)象。管芯溫度的高低與器件內(nèi)部功耗的大小、管芯到外界環(huán)境的傳熱條件(傳熱機(jī)構(gòu)、材料、冷卻方式等)以及環(huán)境溫度等有關(guān)。設(shè)法減小器件的內(nèi)部功耗

30、、改善傳熱條件，對(duì)保證器件長(zhǎng)期可靠運(yùn)行有極重要的作用。為了便于散熱，功率器件多加裝散熱器，結(jié)溫升高后的散熱過(guò)程和路線如下：管芯內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱能以傳導(dǎo)方式由管芯傳到固定它的外殼的底座上，再由外殼將部分熱能以對(duì)流和輻射的形式傳到環(huán)境中去，大部分熱能則是通過(guò)底座直接傳到散熱器上，最后由散熱器傳到空氣中。合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.45.4電力電子器件應(yīng)用共性問(wèn)題散熱 工程實(shí)際中，結(jié)溫通常是指芯片的平均溫度，由于功率器件的芯片較大，溫度分布是不均勻的，可能出現(xiàn)局部比最高允許結(jié)溫高得多的過(guò)熱點(diǎn)，導(dǎo)致器件損壞。所以規(guī)定的最高允許結(jié)溫遠(yuǎn)低于其本征失效溫度，這被稱(chēng)為結(jié)溫減額使用。散熱

31、設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是根據(jù)器件的耗散功率Pd設(shè)計(jì)一個(gè)具有適當(dāng)熱阻的散熱方式和散熱器，以確保器件的管芯溫度不高于額定結(jié)溫Tjm。當(dāng)散熱器的環(huán)境溫度為T(mén)a時(shí)，從管芯到環(huán)境的總熱阻為：dajmajPTTR 在實(shí)際情況中常把總熱阻分成三部分。第一部分為從管芯到管殼的結(jié)-殼熱阻，第二部分為從管殼到散熱器的接觸熱阻，第三部分為從散熱器到環(huán)境的散熱器熱阻。 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.45.4電力電子器件應(yīng)用共性問(wèn)題散熱 對(duì)器件用戶來(lái)說(shuō)，結(jié)-殼熱阻是不能改變的一個(gè)參數(shù)。接觸熱阻的大小與多種因素有關(guān)。它不但決定于器件的封裝形式、界面平整度和散熱器的安裝壓力，還決定于管殼與散熱器之間是否加絕

32、緣墊片和導(dǎo)熱脂。一般情況下，增加安裝壓力可減小接觸熱阻。在管殼和散熱器之間涂導(dǎo)熱脂也可減小接觸熱阻，但加絕緣墊片會(huì)增加接觸熱阻。當(dāng)然，絕緣墊片只在不得不加時(shí)才加，盡量選用導(dǎo)熱性好的材料，并涂敷導(dǎo)熱脂。散熱器熱阻與散熱器材料、形狀、表面狀況、功耗元件的安裝位置以及冷卻介質(zhì)的性質(zhì)等多種因素有關(guān)。散熱器表面經(jīng)黑化處理之后可明顯增加散熱效果，散熱器采用指狀或枝狀結(jié)構(gòu)，可增加散熱面積。強(qiáng)迫風(fēng)冷是降低散熱器熱阻的一種有效形式，常用的風(fēng)冷和自然冷卻散熱器由鋁板或鋁型材料制成。使用液體作為散熱介質(zhì)的液冷方式對(duì)于降低熱阻的效力更高，所用的散熱器體積更小，特別適用于特大功率耗散情況。 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)教研組5.45.4電力電子器件應(yīng)用共性問(wèn)題散熱 使用風(fēng)機(jī)降低散熱器溫度目前有兩種控制方式，一種是風(fēng)機(jī)與裝置同步工作，適合于負(fù)載基本不變的情況，如PC機(jī)電源；另一種是風(fēng)機(jī)的起、停受裝置的內(nèi)部溫度（尤其是散熱器的溫度）控制。常用的辦法是使用溫度傳感器采集溫度，與預(yù)設(shè)的溫度基準(zhǔn)進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量的溫度高于設(shè)定值后，風(fēng)機(jī)起動(dòng)加速散熱；當(dāng)溫度下降后，風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)。這種方式適合負(fù)載變化的情況，例如以蓄電池為后備電源的整流裝置，大多數(shù)時(shí)間蓄電池接近滿容量，充電電流較小，整流裝置工作在輕載狀態(tài)，散熱器溫度不高，風(fēng)機(jī)不工作；在交流電源長(zhǎng)時(shí)間停電，蓄電池放電為負(fù)載供電后