電力電子器件應(yīng)用

電力電子器件應(yīng)用第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一電力電子器件器件的驅(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9.1第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路——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關(guān)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。對器件或整個裝置的一些保護(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)。9.1.1驅(qū)動電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號按控制目標(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。

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。第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一驅(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

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖9-1光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型電力電子器件驅(qū)動電路概述9.1.1第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一按照驅(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)分，可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。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。電力電子器件驅(qū)動電路概述9.1.1第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一9.1.2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t1~t2脈沖前沿上升時間（<1s）t1~t3強(qiáng)脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）

◆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刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通?！艟чl管觸發(fā)電路往往還包括對其觸發(fā)時刻進(jìn)行控制的相位控制電路?！粲|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，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)。?觸發(fā)脈沖應(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3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)1~2A/s。?觸發(fā)脈沖應(yīng)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)。?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。

例如，單相整流電路，電阻性負(fù)載時脈沖寬度應(yīng)大于10us，電感性負(fù)載時則因大于100us；三相全控橋中，采用單脈沖觸發(fā)時脈寬應(yīng)大于60°（通常取90°），而采用雙脈沖觸發(fā)時，脈寬為10°左右即可。第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一典型全控型器件的驅(qū)動電路1)GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似，但對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，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（比普通晶閘管承受du/dt的能力差，若陽極電壓上升率較高時會誤觸發(fā)。）。圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG9.1.31.

電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一GTO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。典型全控型器件的驅(qū)動電路9.1.3第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路：圖9-5典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路二極管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開通時，輸出正強(qiáng)脈沖

V2開通時輸出正脈沖平頂部分

V2關(guān)斷而V3開通時輸出負(fù)脈沖

V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓典型全控型器件的驅(qū)動電路9.1.3第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2)GTR開通驅(qū)動電流應(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，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9-6理想的GTR基極驅(qū)動電流波形典型全控型器件的驅(qū)動電路9.1.3第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一GTR的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分二極管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，如V5發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2會自動導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持Ubc≈0。

C2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路?？蓪崿F(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。圖9-7

GTR的一種驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路9.1.3第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2.

電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般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。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)動器件電流額定值的增大而減小。典型全控型器件的驅(qū)動電路9.1.3第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一1)電力MOSFET的一種驅(qū)動電路：

電氣隔離和晶體管放大電路兩部分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

。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。圖9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路9.1.3第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一2)IGBT的驅(qū)動

多采用專用的混合集成驅(qū)動器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、EXB850和EXB851）內(nèi)部具有退飽和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。

M57962L輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動電壓為-10V。圖9-9

M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖典型全控型器件的驅(qū)動電路9.1.3第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一電力電子器件器件的保護(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)

9.2.3

緩沖電路（SnubberCircuit）9.2第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過電壓——外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(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

(2)

雷擊過電壓：由雷擊引起內(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

(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，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。

(2)

關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，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。

9.2.1

第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一過電壓保護(hù)措施圖9-10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電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

9.2.1

第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見圖9-11。圖9-11

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)。過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

9.2.1

第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一大容量電力電子裝置可采用圖9-12所示的反向阻斷式RC電路圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用RC電路保護(hù)電路參數(shù)計算可參考相關(guān)工程手冊其他措施：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）等非線性元器件限制或吸收過電壓過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

9.2.1

第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一過電流保護(hù)過電流——過載和短路兩種情況

常用措施（圖9-13）快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。同時采用幾種過電流保護(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。圖9-13過電流保護(hù)措施及配置位置9.2.2第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一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。選擇快熔時應(yīng)考慮：(1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定。(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I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。(4)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。過電流保護(hù)9.2.2第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一快熔對器件的保護(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)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快。過電流保護(hù)9.2.2第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一緩沖電路（SnubberCircuit）緩沖電路（吸收電路）：抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——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（di/dt抑制電路）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起——復(fù)合緩沖電路。其他分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）。通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。9.2.3第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一緩沖電路作用分析無緩沖電路：V開通時電流迅速上升，di/dt很大。關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓。有緩沖電路：V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC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。圖9-14

di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形緩沖電路（SnubberCircuit）9.2.3第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一關(guān)斷時的負(fù)載曲線

圖9-15關(guān)斷時的負(fù)載線無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應(yīng)電壓使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：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C。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。緩沖電路（SnubberCircuit）9.2.3第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合。圖9-14

di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形圖9-16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9-16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（SnubberCircuit）9.2.3第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一緩沖電路中的元件選取及其他注意事項Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊。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。中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路。

對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容。晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可。緩沖電路（SnubberCircuit）9.2.3第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一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的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)9.3第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一晶閘管的串聯(lián)目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時，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，使另一個器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用。反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。

9.3.1

第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一靜態(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)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。圖9-17晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施晶閘管的串聯(lián)

9.3.1

第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一動態(tài)不均壓——由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。動態(tài)均壓措施：選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。用RC并聯(lián)支路作動態(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間上的差異。晶閘管的串聯(lián)

9.3.1

第31頁，共35頁，2023年，2月20日，星期一晶閘管的并聯(lián)目的：多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流問題：會分別