第九章電力電子器件應(yīng)用的共性問(wèn)題

第九章電力電子器件應(yīng)用的共性問(wèn)題1第1頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1電力電子器件的驅(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)使用本章小結(jié)及作業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容第2頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1

電力電子器件器件的驅(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)電路第3頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述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)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(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)。驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口第4頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.1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

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)高傳輸比型第5頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述按照驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。分類第6頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。不超過(guò)門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。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。tIIMt1t2t3t4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(shí)間（<1

s）t1~t3

強(qiáng)脈寬度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）晶閘管的觸發(fā)電路第7頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.2晶閘管的觸發(fā)電路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(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。圖9-3常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路第8頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1)GTOGTO的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1)電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)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。第9頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路直接耦合式驅(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。目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。圖9-5典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路第10頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)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。tOib

圖9-6理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形(2)GTR第11頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路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。圖9-7GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見(jiàn)。第12頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。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(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10~15V，使IGBT開(kāi)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可以減小寄生振蕩。2)電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路第13頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1)電力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圖9-8電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路專為驅(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。

第14頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.1.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路2)IGBT的驅(qū)動(dòng)圖9-9M57962L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、EXB850和EXB851）。

多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。第15頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.2電力電子器件器件的保護(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緩沖電路第16頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起內(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(guò)電壓。電力電子裝置可能的過(guò)電壓——外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓第17頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.2.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)措施圖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)斷過(guò)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(guò)電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。第18頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.2.2過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流——過(guò)載和短路兩種情況保護(hù)措施負(fù)載觸發(fā)電路開(kāi)關(guān)電路過(guò)電流繼電器交流斷路器動(dòng)作電流整定值短路器電流檢測(cè)電子保護(hù)電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器同時(shí)采用幾種過(guò)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(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。圖9-13過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置第19頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.2.2過(guò)電流保護(hù)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)，響應(yīng)最快?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種第20頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.2.3緩沖電路關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——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（di/dt抑制電路）——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)通緩沖電路的結(jié)合。按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無(wú)損吸收電路）。通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開(kāi)通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。緩沖電路(SnubberCircuit)

：

又稱吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt、過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。第21頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b)tuCEiCOdidt抑制電路無(wú)時(shí)didt抑制電路有時(shí)有緩沖電路時(shí)無(wú)緩沖電路時(shí)uCEiC9.2.3

緩沖電路緩沖電路作用分析無(wú)緩沖電路：有緩沖電路：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)載線第22頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.2.3緩沖電路充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場(chǎng)合。圖9-14di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路其中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吸收電路第23頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)第24頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1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，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)。第25頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1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(kāi)通時(shí)間的差異。第26頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.2

晶閘管的并聯(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)較大的電流第27頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月9.3.3電力MOSFET和IGBT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