第8章電力電子器件應用基礎

第8章電力電子器件應用基礎第一頁，共38頁。電力電子技術的內(nèi)容：電力電子器件。器件是基礎，種類繁多，性能各異。其性能與器件內(nèi)部結(jié)構有關，還與外部應用條件密切相關。器件性能在應用時與器件的驅(qū)動電路、過電流過電壓保護設計、散熱設計直接相關。電力電子電路。控制技術。第二頁，共38頁。8.1電力電子器件驅(qū)動技術

8.1.1電力電子器件驅(qū)動電路概述不可控器件:不需要驅(qū)動電路半控型器件:門極驅(qū)動電路(脈沖觸發(fā)電路)全控型器件：導通和關斷都需要驅(qū)動電路對控制極加以控制。性能良好的驅(qū)動電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，提高變流電路的運行效率、可靠性和安全性。第三頁，共38頁。驅(qū)動電路的功能：驅(qū)動電路將信息電子電路傳來的信號按照其控制要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、具有足夠能量以使電力電子器件可靠開通或關斷的信號。驅(qū)動電路是低壓電路（一般在數(shù)十伏以下），主電路電壓可高達數(shù)千伏以上，為避免主電路高壓對低壓驅(qū)動電路產(chǎn)生威脅，需在二者之間進行電氣隔離。隔離方式：光隔離：一般采用光電耦合器。磁隔離：采用脈沖變壓器。第四頁，共38頁。光電隔離：磁隔離：第五頁，共38頁。驅(qū)動電路主要包括：集成驅(qū)動電路芯片：混合集成電路：將多個芯片和器件集成在一塊。驅(qū)動模塊：將多個驅(qū)動電路封裝在一起。電力電子器件控制極控制方式分為兩類：電流驅(qū)動型（晶閘管、GTO、GTR等）：要求驅(qū)動功率較大，能輸出足夠的驅(qū)動電流。電壓驅(qū)動型（MOSFET、IGBT等場控器件）：多為場控器件，要求驅(qū)動電路輸出電流較小。第六頁，共38頁。8.1.2晶閘管的門極驅(qū)動要求晶閘管的參數(shù)有：門極觸發(fā)電流、門極觸發(fā)電壓、門極不觸發(fā)電流、門極不觸發(fā)電壓等。為了確保晶閘管可靠導電，對晶閘管觸發(fā)脈沖的寬度、高度、形狀的要求如右圖所示。第七頁，共38頁。8.1.3GTO門極驅(qū)動

GTO也為電流驅(qū)動型器件，開通控制與晶閘管相似，但對開通驅(qū)動信號前沿的幅值和陡度要求高，一般需要在整個導通期間施加正門極電流。GTO的關斷需施加負門極電流，要求其幅值和陡度更高，關斷后應在門極陰極之間施加5V的負偏壓，以提高抗干擾能力。第八頁，共38頁。GTO一般用于大容量場合，驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可以分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。右圖是一個GTO門極驅(qū)動電路的例子。第九頁，共38頁。8.1.4GTR基極驅(qū)動使GTR開通的基極驅(qū)動電流應使其處于準導通飽和狀態(tài)，使之不進入深飽和區(qū)。關斷GTR時，施加負基極電流減小關斷時間和關斷損耗，關斷后應在基射極之間仍施加一定幅值的負偏壓。第十頁，共38頁。

第十一頁，共38頁。8.1.5電力MOSFET柵極驅(qū)動電力MOSFET屬于電壓驅(qū)動型器件，其柵源極之間有數(shù)千皮法左右的極間電容，在開通和關斷的過程中，需要一定的門極電流對該門極輸入電容完成充電和放電，在高頻交替開通和關斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率。為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路有較小的輸出電阻。電力MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取10～15V，關斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓有利于減小關斷時間和關斷損耗。第十二頁，共38頁。電力MOSFET的一種驅(qū)動電路第十三頁，共38頁。8.1.6IGBT柵極驅(qū)動

IGBT也是場控器件，柵極和發(fā)射極之間存在輸入電容，小功率IGBT一般在10～100pF之間，大功率的IGBT則1～100nF之間，因而需要的驅(qū)動功率較大。由脈沖變壓器隔離的分立元件組成的IGBT驅(qū)動電路如下圖所示。第十四頁，共38頁。

第十五頁，共38頁。8.2電力電子器件的保護

電力電子器件的保護有三種：過電流過電壓過熱保護電路必不可少，其性能的優(yōu)劣直接影響到器件的安全運行和電力電子裝置整機的可靠性。第十六頁，共38頁。8.2.1過電壓保護電力電子電路中所發(fā)生的過電壓主要有兩類：內(nèi)部因素引起的過電壓——器件通斷等外部因素引起的過電壓——雷擊、電網(wǎng)中電壓浪涌等一、過電壓產(chǎn)生的原因（1）內(nèi)因過電壓電力電子器件在換流過程中會發(fā)生突變，線路電感在器件兩端產(chǎn)生的過電壓。①換相過電壓②關斷過電壓第十七頁，共38頁。（2）外因過電壓①雷擊過電壓——由雷擊引起的過電壓。②操作過電壓——由線路分閘、合閘等開關操作所引起的過電壓。二、過電壓保護措施防止雷擊過電壓——避雷器F；抑制合閘時的操作過電壓——靜電感應過電壓抑制電容器C；過電壓阻容吸收電路——RC1和RC2兩種電路；RC1：電阻放電時，可能危害被保護設備；RC2：整流二極管阻止放電電流進入電網(wǎng)，不會危害電路中的其它器件。第十八頁，共38頁。非線性壓敏電阻RV——過電壓時，壓敏電阻導通，電壓鉗位在保護值上，過電壓消失后，壓敏電阻恢復高阻態(tài)。第十九頁，共38頁。常用的阻容吸收保護電路：第二十頁，共38頁。8.2.2過電流保護

導致電力電子電路過電流的原因多數(shù)為外部原因：——短路故障；——負載變大；——干擾侵入引起器件誤動作；——人為接線錯誤。第二十一頁，共38頁。

電氣線路保護措施：簡單，動作時間長，動作時間達100多毫秒。——自動空氣開關——熔斷器——過電流繼電器

電力電子電路過電流保護措施：——快速熔斷器：動作時間一般在20毫秒左右，最有效、應用最廣泛?！娮与娐罚红`活、快速，通過檢測電力電子器件電路中的電流，去封鎖驅(qū)動電路的輸出信號，有效關斷電力電子器件。第二十二頁，共38頁。通常幾種過電流保護措施配合使用，以提高保護的可靠性。一般電子保護為電力電子電路的一級保護（最先動作），快速熔斷器主要進行短路保護，是電力電子器件的最后一級防護措施。下圖為常用的過電流保護措施：第二十三頁，共38頁。8.2.3過熱保護

器件開關過程中需要一定的時間，會產(chǎn)生開關損耗。器件導通時有通態(tài)壓降，有通態(tài)損耗；器件關斷時有漏電流，有斷態(tài)損耗；損耗以熱能的形式表現(xiàn)出來，造成器件工作溫度升高。通常斷態(tài)損耗很小，在開關器件工作頻率不高時，開關損耗不大。器件的發(fā)熱主要是通態(tài)損耗。需采取合適的散熱措施。第二十四頁，共38頁。過熱保護通常采取以下兩種措施：①安裝散熱器（風冷、水冷、油冷）。——必須用②由電子熱保護電路完成。檢測開關器件的工作溫度，當超過安全設定值時，采取關斷措施或限流措施。——與第一種配合使用。第二十五頁，共38頁。8.3緩沖與吸收電路電力電子器件在高頻開關過程出現(xiàn)的情況：電壓變化率很大——出現(xiàn)過電流電流的變化很大——出現(xiàn)過電壓結(jié)果：可能導致器件的損壞。

措施：利用緩沖電路（又稱吸收電路）來抑制電壓電流的變化率，使器件工作于安全工作區(qū)域內(nèi)。第二十六頁，共38頁。緩沖電路（吸收電路）的作用：抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt；抑制電力電子器件的過電流和di/dt；改善開關器件的瞬態(tài)工況，減小器件的開關損耗。兩種緩沖電路：——關斷緩沖電路：又稱du/dt抑制電路，用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗?！_通緩沖電路：又稱di/dt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。第二十七頁，共38頁。復合緩沖電路：將關斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起。按照緩沖電路中儲能元件的能量消耗情況分：——耗能式緩沖電路：能量消耗在吸收電阻上。——饋能式緩沖電路（無損吸收電路）：緩沖電路中儲能元件的能量回饋給負載或電源。第二十八頁，共38頁。緩沖電路的基本原理：電感電流不能突變，電容電壓不能突變。緩沖電路的具體實現(xiàn)：——把容性支路與主開關管并聯(lián)，以減緩電壓的變化?！迅行栽c主開關管串聯(lián)，以減緩電流的變化。

RCD吸收電路：第二十九頁，共38頁。RLD式緩沖電路RC吸收電路開通吸收和關斷吸收組合電路第三十頁，共38頁。8.4電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)問題：大容量電力電子裝置中所采用的電力電子器件需要承受高電壓大電流，單個器件不能滿足要求。解決辦法：——將多個器件串聯(lián)以提高耐壓能力?！獙⒍鄠€器件并聯(lián)以提高通流能力。存在的問題：電力電子器件的靜態(tài)阻斷特性、通態(tài)特性和動態(tài)開關特性具有分散性，使得器件直接串并聯(lián)時出現(xiàn)電壓和電流分配不均的問題，一方面器件的容量不能得到充分利用，另一方面有可能損壞器件。第三十一頁，共38頁。器件串并聯(lián)時均壓、均流問題的解決辦法：——盡量保證器件的型號及參數(shù)一致，使串聯(lián)的每個器件承受的電壓一致、并聯(lián)的每個器件通過相同的電流；——串聯(lián)時均壓；——并聯(lián)時均流。第三十二頁，共38頁。8.4.1電力電子器件的串聯(lián)電力電子器件有多個工作狀態(tài):導通狀態(tài)：導通狀態(tài)時通態(tài)壓降很小，不存在均壓問題。關斷狀態(tài)：阻斷狀態(tài)時，由于串聯(lián)器件流過相同的漏電流，而器件的伏安特性有一定的分散性，各器件上的阻斷電壓不相同。開通過程：開通過程中，后開通的器件將承受很高的動態(tài)電壓。關斷過程：關斷過程中，先關斷的器件承受著極大電壓。第三十三頁，共38頁。問題：串聯(lián)器件運行中動態(tài)電壓不均衡。解決辦法：串聯(lián)器件兩端并聯(lián)阻容性支路。第三十四頁，共38頁。8.4.2電力電