電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

1、第九章 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù) 9.1.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口，是電力裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響。使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(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)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。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，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。單從原理上說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路主要起開關(guān)功

2、率放大的作用，即脈沖放大器。但是電力電子器件的開關(guān)特性與驅(qū)動(dòng)電路的性能密切相關(guān)。同樣的器件，采用不同的驅(qū)動(dòng)電路往往會(huì)得到不同的開關(guān)特性。 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磁隔離的元件通常是脈沖變壓器光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。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)廠家專門開發(fā)的集

3、成驅(qū)動(dòng)電路。9.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(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，整個(gè)觸發(fā)電路應(yīng)包括相位控制電路和觸發(fā)脈沖的放大及輸出環(huán)節(jié)。今天我們先討論放大、輸出部分，相控部分后面講述。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通（結(jié)合擎住電流的概念）。 一般：電阻性負(fù)載電路 2050s 電感性負(fù)載電路 1ms 三相電路 寬脈沖、雙窄脈沖（=600）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。 為使并聯(lián)的晶閘管能同時(shí)導(dǎo)通，要求能夠產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖。 強(qiáng)觸發(fā)電流的幅值為一般觸發(fā)電流的5倍左右。 3）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。4）

4、不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。5）各觸發(fā)脈沖必須同步，移相范圍符合要求。 常見的晶閘管觸發(fā)電路理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（1s）t1t3強(qiáng)脈寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，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) 。9.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1. 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路1) GTOGTO的開通控制與普通

5、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)通期間施加正門極電流。使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力。推薦的GTO門極電壓電流波形GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。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。典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路：典型的直接耦合式GTO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+1

6、5V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖 V2開通時(shí)輸出正脈沖平頂部分 V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖 V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形2) GTR開通驅(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。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GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路 二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負(fù)載較輕時(shí)，如V5發(fā)射極電流全注入V，會(huì)使V過飽和。有了

7、貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc0。 C2為加速開通過程的電容。開通時(shí)，R5被C2短路?？蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。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開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V。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。1) 電力

8、MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路： 電氣隔離和晶體管放大電路兩部分電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路 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。 專為驅(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。 2) IGBT的驅(qū)動(dòng) 多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖 常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB8

9、50和EXB851） 內(nèi)部具有退飽和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號(hào)。 M57962L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為 -10V。相對(duì)于電機(jī)、繼電器和接觸器等控制電器而言，晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，其擊穿電壓比較接近工作電壓，所以短時(shí)間的過電壓和過電流就會(huì)把器件損壞。若以暫時(shí)的過電壓、過電流的數(shù)值確定參數(shù)，又會(huì)造成浪費(fèi)，為了充分發(fā)揮器件應(yīng)有的過載能力，保護(hù)措施就是提高電力電子裝置可靠能力的重要環(huán)節(jié)。保護(hù)的目的有兩個(gè)： 防止故障的發(fā)生 減小故障后的損失9.2.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和

10、內(nèi)因過電壓外因過電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因 (1) 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起電容、電感中存儲(chǔ)的能量的瞬間釋放產(chǎn)生的過電壓。 (2) 浪涌（雷擊）過電壓：由雷擊等偶然原因引起的從電網(wǎng)側(cè)進(jìn)入變流裝置的過電壓，其幅值很高內(nèi)因過電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程 (1) 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)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，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)出過電壓。 (2) 關(guān)斷過電壓：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)出的過電壓。保護(hù)原則：將過電壓的幅值抑制

11、到安全的限度以內(nèi)。 圖1-34過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)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路過電壓保護(hù)措施供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)（交流側(cè)），電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)（直流側(cè)）保護(hù)中主要使用:非線性元件限制幅度; 用電阻消耗能量; 用儲(chǔ)能元件吸收能量其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，

12、典型聯(lián)結(jié)方式見下圖。RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相 RC過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)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)。大容量電力電子裝置可采用圖所示的反向阻斷式RC電路反向阻斷式(三相整流式)過電壓抑制用RC電路參數(shù)計(jì)算： 單相阻容保護(hù)時(shí)電阻、電容的計(jì)算 對(duì)阻容保護(hù)還不能吸收或抑制的過電壓就要用非線性元件進(jìn)行保護(hù)了。非線性元件包括：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。i%:變壓器激磁電流百分比UK%:變壓器的短路電壓百分比S:變壓器容量U2:變壓器二次側(cè)二次側(cè)相電壓有效值過電流當(dāng)變流裝置內(nèi)部某一器件擊穿，或者出

13、現(xiàn)短路，觸發(fā)電路發(fā)生故障，外部出現(xiàn)過載，直流側(cè)短路，可逆系統(tǒng)產(chǎn)生換流或逆變失敗，以及電源電壓過高或過低，缺相等，均可能引起電流超過正常工作電流。 9.2.2過電流的保護(hù) 常用措施如下圖過電流保護(hù)措施及配置位置采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。一般有三種接法。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 2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I 2t值。(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種全保護(hù)：過載、短路均由

14、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)方式：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（很難用快熔保護(hù)），需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 。9.2.3 緩沖電路緩沖電路又稱為吸收電路，主要是用于抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、 過電流、du/dt 、di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路又可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路，分別抑制du/dt 和di/dt。關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起使用時(shí)稱為復(fù)合緩沖電路。若使用電阻吸收儲(chǔ)能元件中的能量，則稱為耗能式緩沖電路；若將儲(chǔ)能元

15、件中的能量回饋給負(fù)載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路。通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路稱為di/dt抑制電路。緩沖電路作用分析無(wú)緩沖電路：V開通時(shí)電流迅速上升，di/dt很大。關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。有緩沖電路：V開通時(shí)：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個(gè)臺(tái)階，以后因有Li，iC上升速度減慢。V關(guān)斷時(shí)：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。di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a) 電路 b) 波形關(guān)斷時(shí)的負(fù)載曲線負(fù)載線ADC安全，且經(jīng)過的都是小電流或小電壓區(qū)域，關(guān)斷損耗大大降低。無(wú)緩沖電路時(shí)：uCE迅速升，L感應(yīng)電壓

16、使VD通，負(fù)載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移到C。有緩沖電路時(shí)：Cs分流使iC在uCE開始上升時(shí)就下降，負(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C。關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場(chǎng)合。 下圖表示出另兩種，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。另外兩種常用的緩沖電路RC吸收電路放電阻止型RCD吸收電路緩沖電路中的元件選取及其他注意事項(xiàng)Cs和Rs的取值可實(shí)驗(yàn)確定或參考工程手冊(cè)。VDs必須選用快恢復(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)

17、一個(gè)du/dt抑制電路。對(duì)IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個(gè)吸收電容。晶閘管在實(shí)用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時(shí)也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可。9.3 電力電子器件器件的串聯(lián)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和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn) 9.3.1 晶閘管的串聯(lián)目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。問題：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。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。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)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。采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間上的差異。降低電壓額定值使用。 9.3.2 晶閘管的并聯(lián)目的：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流問題：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。強(qiáng)迫分流法動(dòng)態(tài)均流