電力電子技術(shù)：第九章 - 1-DRV

1、第九章 電力電子器件的應(yīng)用9.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)9.2 電力電子器件的保護(hù)9.3 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用19.1 電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 9.1.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路 29.1.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路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。 一些保護(hù)措施也往往設(shè)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) 按控制目標(biāo)的要求給器件施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。 對(duì)半控型器件只

2、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)。39.1.1 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(gè)外殼內(nèi)。 有普通、高速和高傳輸比三種類(lèi)型。 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器 當(dāng)脈沖較寬時(shí)，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9-1 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 49.1.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路的分類(lèi) 按照驅(qū)動(dòng)電路

3、加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩類(lèi)。 晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路常稱(chēng)為觸發(fā)電路。 驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)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。59.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖9-2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） 晶閘管的觸發(fā)電路 作用：產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸

4、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。 晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。 69.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖9-2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（30V)可能導(dǎo)致?lián)舸?應(yīng)用中應(yīng)注意防止驅(qū)動(dòng)布線電感引起的電壓振蕩。15IGBT驅(qū)動(dòng)技術(shù)要點(diǎn)一定幅值的正反向門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓：正壓越大，導(dǎo)通壓降越小，通態(tài)損耗越小，但同時(shí)也使承受短路電流時(shí)間變短。一般不允許超過(guò)20V。關(guān)斷反壓一般為515V。負(fù)壓關(guān)斷可減少關(guān)斷損耗，提高可靠性。電隔離、信號(hào)傳輸延時(shí)可忽略。門(mén)極回路必須串聯(lián)合適門(mén)極電阻，控制門(mén)極電壓的前后沿陡度：減小門(mén)極電阻可降低開(kāi)

5、關(guān)損耗，但同時(shí)增大開(kāi)通時(shí)的di/dt，增加續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。一般取930歐姆,隨被驅(qū)動(dòng)器件額定電流的增大而減小。具有過(guò)壓、短路、du/dt保護(hù)功能。16常用IGBT混合集成驅(qū)動(dòng)電路TLP520/530 光電隔離、可直接驅(qū)動(dòng)50A/1200V以?xún)?nèi)IGBT。M57962L 含過(guò)流保護(hù)，光電隔離?？芍苯域?qū)動(dòng) 600V/400A, 1200V/400A以?xún)?nèi)IGBT。EXB系列（EXB850/851/840/841)：標(biāo)準(zhǔn)10kHz,高速40kHz。光電隔離，單電源，過(guò)流保護(hù)?？沈?qū)動(dòng)600V/150A400A, 1200V/75A300A IGBT模塊。HCPL-316J：由Agilent公司

6、生產(chǎn)的一種IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)光耦合器，集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測(cè)電路及故障狀態(tài)反饋電路。SCALE系列集成驅(qū)動(dòng)器【瑞士】，可驅(qū)動(dòng)4001200A/1700V IGBT模塊。接口簡(jiǎn)單，可處理515V標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)，單15V電源。開(kāi)關(guān)頻率0100KHz。具有過(guò)流、短路保護(hù)。179.2 電力電子器件的保護(hù) 9.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù) 9.2.2 過(guò)電流保護(hù) 9.2.3 緩沖電路189.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類(lèi)。 外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原 因，包括 操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓。 雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起

7、的過(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，包括 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，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。 關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，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(guò)電壓。 199.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)圖9-10過(guò)電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過(guò)電壓抑制器RC3閥器件換相過(guò)電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷

8、過(guò)電壓抑制用RCD電路過(guò)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RCD為抑制內(nèi)因過(guò)電壓的措施。 209.2.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)圖9-11 RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相圖9-12反向阻斷式過(guò)電壓抑制用RC電路抑制外因過(guò)電壓來(lái)采用RC過(guò)電壓抑制電路。對(duì)大容量的電力電子裝置，可采用圖9-12所示的反向阻斷式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（BOD）等非線性元器件來(lái)限制或吸收過(guò)電壓也是較常用的措施。 219.2.2 過(guò)電流保護(hù)圖9-13 過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況。 過(guò)電流保護(hù)措施及其配

9、置位置 快速熔斷器、直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。 通常，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。 229.2.2 過(guò)電流保護(hù)快速熔斷器（簡(jiǎn)稱(chēng)快熔） 是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 電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)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(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮

10、其時(shí)間電流特性。 快熔對(duì)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(guò)載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)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。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，需采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，器件對(duì)電流的響應(yīng)是最快的。23/79.2.3 緩沖電路緩沖電路（Snubber Circuit）又稱(chēng)為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt或者過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。分類(lèi) 分為關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路 關(guān)斷緩沖電路：又稱(chēng)為du/dt抑制電路，用

11、于吸收器件的關(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：又稱(chēng)為di/dt抑制電路，用于抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和di/dt，減小器件的開(kāi)通損耗。 復(fù)合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)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 ：緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量消耗在其吸收電阻上。 饋能式緩沖電路 ：緩沖電路能將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，也稱(chēng)無(wú)損吸收電路。 通常將緩沖電路專(zhuān)指關(guān)斷緩沖電路，而將開(kāi)通緩沖電路區(qū)別叫做di/dt抑制電路。 249.2.3 緩沖電路（重點(diǎn)）b)tuCEiCOdidt抑制電路時(shí)無(wú)didt抑制電路時(shí)有有緩沖電路時(shí)無(wú)緩沖

12、電路時(shí)uCEiC圖9-14di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a) 電路 b) 波形緩沖電路 圖9-14a給出的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖。 在無(wú)緩沖電路的情況下，di/dt很大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過(guò)電壓，如圖9-14b。 在有緩沖電路的情況下 V開(kāi)通時(shí)，Cs先通過(guò)Rs向V放電，使iC先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)長(zhǎng)i的作用，iC的上升速度減慢。 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。 因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會(huì)出現(xiàn)一定的過(guò)電壓。 1、抑制開(kāi)通時(shí)V電流的迅速上升，同時(shí)在關(guān)斷時(shí)提供放電回路。

13、2、關(guān)斷時(shí)負(fù)載電流通過(guò)二極管向電容分流減輕V的負(fù)擔(dān)，抑制du/dt和過(guò)電壓。3、開(kāi)通時(shí)電容為V提供初始電流。259.2.3 緩沖電路ADCB無(wú)緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖9-15 關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線關(guān)斷過(guò)程 無(wú)緩沖電路時(shí)，uCE迅速上升，負(fù)載線從A移動(dòng)到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移動(dòng)到C。 有緩沖電路時(shí)，由于Cs的分流使iC在uCE開(kāi)始上升的同時(shí)就下降，因此負(fù)載線經(jīng)過(guò)D到達(dá)C。 負(fù)載線在到達(dá)B時(shí)很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負(fù)載線ADC是很安全的，且損耗小。269.2.3 緩沖電路圖9-16 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 另外兩種常用

14、的緩沖電路形式 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。 晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般只承受換相過(guò)電壓，沒(méi)有關(guān)斷過(guò)電壓?jiǎn)栴}，關(guān)斷時(shí)也沒(méi)有較大的du/dt，因此一般采用RC吸收電路即可。（為什么： 因?yàn)榫чl管是過(guò)零關(guān)斷）。 27緩沖電路總結(jié)緩沖電路的主要作用：抑制器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中可能出現(xiàn)的過(guò)電壓、du/dt、過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。289.3 電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)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)299.3.1 晶閘管的串聯(lián)問(wèn)題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異

15、，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。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。目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。309.3.1 晶閘管的串聯(lián)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，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施動(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)間的差異。319.3.1 晶閘管的并

16、聯(lián)問(wèn)題：會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。均流措施：挑選特性參數(shù)盡量一致的器件。采用均流電抗器。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。目的：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流329.3.3 電力MOSFET的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)電力MOSFET的并聯(lián) Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)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(duì)稱(chēng)。 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)

17、段則具有正溫度系數(shù)；也具有一定的電流自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)使用。 在器件參數(shù)和特性選擇、電路布局和走線、散熱條件等方面也應(yīng)盡量一致。 33本章小結(jié)本章要點(diǎn) 對(duì)電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路的基本要求。 在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)電力電子主電路和控制電路電氣隔離的基本方 法和原理。 對(duì)晶閘管觸發(fā)電路的基本要求以及典型觸發(fā)電路的基本原理。 對(duì)電力MOSFET和IGBT等全控型器件驅(qū)動(dòng)電路的基本要求以及典型驅(qū)動(dòng)電路的基本原理。 電力電子器件過(guò)電壓的產(chǎn)生原因和過(guò)電壓保護(hù)的主要方法及原理。 電力電子器件過(guò)電流保護(hù)的主要方法及原理。 電力電子器件緩沖電路的概念、分類(lèi)、典型電路及基本原理。 電力電子器件串聯(lián)和并聯(lián)使用的目的、基

18、本要求以及具體注意事 項(xiàng)。34功率電子的主要國(guó)際期刊和會(huì)議期刊：IEEE Transactions onAerospace and SyatemsIndustrial ElectronicsIndustry ApplicationsPower Electronics會(huì)議：Applied Power Electronics Conference(APEC)European Power Electronics Conference(EPEC)IEEE Industrial Electronics Conference(IECON)International Power Electronics Conference(IPEC)International Power Electronics Congress(CIEP)35/ ABB Semiconductors/ International Rectifier/ Mitsubishi Semiconductorswww.fujielectric.co.jp/ Fuji Electric Infi