電力電子器件器件的保護(hù)課件

第1章第1頁

1.7電力電子器件器件的保護(hù)

1.7.1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(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■第1章第1頁

1.7電力電子器件器件的保護(hù)

1.7.1第1章第2頁1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓保護(hù)措施

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■第1章第2頁1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓保護(hù)第1章第3頁1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

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1-35RC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)圖1-35

RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相

■第1章第3頁1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)外因過電第1章第4頁1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(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）等非線性元器件限制或吸收過電壓■第1章第4頁1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)大容量電力第1章第5頁

1.7.2過電流保護(hù)

過電流——過載和短路兩種情況

常用措施（圖1-37）快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器同時(shí)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(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)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作圖1-37過電流保護(hù)措施及配置位置■第1章第5頁

1.7.2過電流保護(hù)

過電流——過載和短第1章第6頁1.7.2過電流保護(hù)快速熔斷器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(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I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值■第1章第6頁1.7.2過電流保護(hù)快速熔斷器■第1章第7頁1.7.2過電流保護(hù)(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(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■第1章第7頁1.7.2過電流保護(hù)(4)為保證熔體在正常過第1章第8頁1.7.3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(shí)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■第1章第8頁1.7.3緩沖電路（SnubberCirc第1章第9頁1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）緩沖電路作用分析無緩沖電路：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和過電壓圖1-38

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■第1章第9頁1.7.3緩沖電路（SnubberCirc第1章第10頁1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）關(guān)斷時(shí)的負(fù)載曲線無緩沖電路時(shí)：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(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

圖1-39關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線■第1章第10頁1.7.3緩沖電路（SnubberCir第1章第11頁1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）

充放電型RCD緩沖電路（圖1-38），適用于中等容量的場合

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■第1章第11頁1.7.3緩沖電路（SnubberCir第1章第12頁1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）

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合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)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■第1章第12頁1.7.3緩沖電路（SnubberCir第1章第13頁1.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

1.8.1晶閘管的串聯(lián)

1.8.2晶閘管的并聯(lián)

1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)第1章第13頁1.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用第1章第14頁1.8.1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■1.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用第1章第14頁1.8.1晶閘管的串聯(lián)■1.8電力第1章第15頁

1.8.1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■第1章第15頁

1.8.1晶閘管的串聯(lián)

靜態(tài)均壓措施■第1章第16頁1.8.1晶閘管的串聯(lián)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■第1章第16頁1.8.1晶閘管的串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓措施■第1章第17頁

1.8.2晶閘管的并聯(lián)

目的：多個(gè)器件并聯(lián)來承擔(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)盡量一致的器件采用均流電抗器用門極強(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■第1章第17頁

1.8.2晶閘管的并聯(lián)

目的：多個(gè)器件并第1章第18頁

1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)

電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)均衡的能力，容易并聯(lián)注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)電路走線和布局應(yīng)盡量對(duì)稱可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用

IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)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)的溫度系數(shù)在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)并聯(lián)使用時(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)■第1章第18頁

1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)第1章第19頁

本章小結(jié)

主要內(nèi)容

全面介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等

集中討論電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用

電力電子器件類型歸納單極型：電力MOSFET和SIT■圖1-42電力電子器件分類“樹”第1章第19頁

本章小結(jié)

主要內(nèi)容■圖1-42電力電子第1章第20頁本章小結(jié)雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH復(fù)合型：IGBT和MCT電壓驅(qū)動(dòng)型：單極型器件和復(fù)合型器件，雙極型器件中的SITH

特點(diǎn)：輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高電流驅(qū)動(dòng)型：雙極型器件中除SITH外特點(diǎn)：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜■第1章第20頁本章小結(jié)雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、G第1章第21頁本章小結(jié)

當(dāng)前的格局:

IGBT為主體，第四代產(chǎn)品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首選。不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競爭，試圖在兆瓦以上取代GTOGTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA光控晶閘管：功率更大場合，8kV/3.5kA，裝置最高達(dá)300MVA，容量最大電力MOSFET：長足進(jìn)步，中小功率領(lǐng)域特別是低壓，地位牢固■第1章第21頁本章小結(jié)

當(dāng)前的格局:■第1章第22頁

圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成

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■第1章第22頁

圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組第1章第23頁

圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

外形結(jié)構(gòu)

電氣圖形符號(hào)

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第1章第23頁

圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形第1章第24頁

圖1-3PN結(jié)的形成

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第1章第24頁

圖1-3PN結(jié)的形成

返回第1章第25頁

圖1-4電力二極管的伏安特性

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第1章第25頁

圖1-4電力二極管的伏安特性

返回第1章第26頁

圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

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第1章第26頁

圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

正向偏第1章第27頁圖1-6晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

外形

結(jié)構(gòu)

電氣圖形符號(hào)

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第1章第27頁圖1-6晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

第1章第28頁

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

雙晶體管模型

工作原理

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第1章第28頁

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理第1章第29頁

圖1-8晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IG

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第1章第29頁

圖1-8晶閘管的伏安特性

IG2>IG1第1章第30頁圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

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第1章第30頁圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形返回第1章第31頁

圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性

電氣圖形符號(hào)

伏安特性

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第1章第31頁

圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安第1章第32頁

圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性

電氣圖形符號(hào)

伏安特性

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第1章第32頁

圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安第1章第33頁圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性

電氣圖形符號(hào)

伏安特性

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第1章第33頁圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特第1章第34頁

圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

c)電氣圖形符號(hào)

a)

各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

b)

并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖

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第1章第34頁

圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)第1章第35頁

圖1-14GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

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第1章第35頁

圖1-14GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形第1章第36頁

圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖

電氣圖形符號(hào)

內(nèi)部載流子的流動(dòng)

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第1章第36頁

圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)第1章第37頁

圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性

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第1章第37頁

圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性第1章第38頁

圖1-17GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形

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第1章第38頁

圖1-17GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形第1章第39頁

圖1-18GTR的安全工作區(qū)

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第1章第39頁

圖1-18GTR的安全工作區(qū)

返回第1章第40頁圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖

電氣圖形符號(hào)

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第1章第40頁圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形第1章第41頁圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性轉(zhuǎn)移特性

輸出特性

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第1章第41頁圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出第1章第42頁

圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程

測試電路

開關(guān)過程波形

up—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，

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RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測漏極電流

第1章第42頁

圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程

測第1章第43頁

圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號(hào)

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內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖簡化等效電路電氣圖形符號(hào)第1章第43頁

圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和第1章第44頁

圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

轉(zhuǎn)移特性

輸出特性

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第1章第44頁

圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

第1章第45頁

圖1-24IGBT的開關(guān)過程

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第1章第45頁

圖1-24IGBT的開關(guān)過程返回第1章第46頁

圖1-25光耦合器的類型及接法

普通型

高速型

高傳輸比型

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第1章第46頁

圖1-25光耦合器的類型及接法

普通型第1章第47頁

圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形

t1~t2

脈沖前沿上升時(shí)間（<1

s）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）

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第1章第47頁

圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形

t第1章第48頁圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路

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第1章第48頁圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路返回第1章第49頁圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形

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第1章第49頁圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形返第1章第50頁圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路

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第1章第50頁圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路第1章第51頁圖1-30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形

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第1章第51頁圖1-30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形返第1章第52頁

圖1-31

GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路

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第1章第52頁

圖1-31GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路

返回第1章第53頁圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路

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第1章第53頁圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路第1章第54頁圖1-33