第8章電力電子器件應(yīng)用基礎(chǔ)第一頁，共38頁。電力電子技術(shù)的內(nèi)容：電力電子器件。器件是基礎(chǔ)，種類繁多，性能各異。其性能與器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與外部應(yīng)用條件密切相關(guān)。器件性能在應(yīng)用時(shí)與器件的驅(qū)動(dòng)電路、過電流過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)直接相關(guān)。電力電子電路。控制技術(shù)。第二頁，共38頁。8.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)

8.1.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述不可控器件:不需要驅(qū)動(dòng)電路半控型器件:門極驅(qū)動(dòng)電路(脈沖觸發(fā)電路)全控型器件：導(dǎo)通和關(guān)斷都需要驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制極加以控制。性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可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，提高變流電路的運(yùn)行效率、可靠性和安全性。第三頁，共38頁。驅(qū)動(dòng)電路的功能：驅(qū)動(dòng)電路將信息電子電路傳來的信號(hào)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(guān)斷的信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路是低壓電路（一般在數(shù)十伏以下），主電路電壓可高達(dá)數(shù)千伏以上，為避免主電路高壓對(duì)低壓驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生威脅，需在二者之間進(jìn)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(dòng)電路主要包括：集成驅(qū)動(dòng)電路芯片：混合集成電路：將多個(gè)芯片和器件集成在一塊。驅(qū)動(dòng)模塊：將多個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)型（晶閘管、GTO、GTR等）：要求驅(qū)動(dòng)功率較大，能輸出足夠的驅(qū)動(dòng)電流。電壓驅(qū)動(dòng)型（MOSFET、IGBT等場(chǎng)控器件）：多為場(chǎng)控器件，要求驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dǎo)電，對(duì)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(dòng)

GTO也為電流驅(qū)動(dòng)型器件，開通控制與晶閘管相似，但對(duì)開通驅(qū)動(dòng)信號(hào)前沿的幅值和陡度要求高，一般需要在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流。GTO的關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，要求其幅值和陡度更高，關(guān)斷后應(yīng)在門極陰極之間施加5V的負(fù)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(chǎng)合，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(gè)GTO門極驅(qū)動(dòng)電路的例子。第九頁，共38頁。8.1.4GTR基極驅(qū)動(dòng)使GTR開通的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)導(dǎo)通飽和狀態(tài)，使之不進(jìn)入深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時(shí)，施加負(fù)基極電流減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后應(yīng)在基射極之間仍施加一定幅值的負(fù)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(dòng)電力MOSFET屬于電壓驅(qū)動(dòng)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(guān)斷的過程中，需要一定的門極電流對(duì)該門極輸入電容完成充電和放電，在高頻交替開通和關(guān)斷時(shí)需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路有較小的輸出電阻。電力MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取10～15V，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。第十二頁，共38頁。電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路第十三頁，共38頁。8.1.6IGBT柵極驅(qū)動(dòng)

IGBT也是場(chǎng)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(dòng)功率較大。由脈沖變壓器隔離的分立元件組成的IGBT驅(qū)動(dòng)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(hù)

電力電子器件的保護(hù)有三種：過電流過電壓過熱保護(hù)電路必不可少，其性能的優(yōu)劣直接影響到器件的安全運(yùn)行和電力電子裝置整機(jī)的可靠性。第十六頁，共38頁。8.2.1過電壓保護(hù)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(huì)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(guān)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(guān)操作所引起的過電壓。二、過電壓保護(hù)措施防止雷擊過電壓——避雷器F；抑制合閘時(shí)的操作過電壓——靜電感應(yīng)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(shí)，可能危害被保護(hù)設(shè)備；RC2：整流二極管阻止放電電流進(jìn)入電網(wǎng)，不會(huì)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(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通，電壓鉗位在保護(hù)值上，過電壓消失后，壓敏電阻恢復(fù)高阻態(tài)。第十九頁，共38頁。常用的阻容吸收保護(hù)電路：第二十頁，共38頁。8.2.2過電流保護(hù)

導(dǎo)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(fù)載變大；——干擾侵入引起器件誤動(dòng)作；——人為接線錯(cuò)誤。第二十一頁，共38頁。

電氣線路保護(hù)措施：簡(jiǎn)單，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)作時(shí)間達(dá)100多毫秒?！詣?dòng)空氣開關(guān)——熔斷器——過電流繼電器

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

器件開關(guān)過程中需要一定的時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗。器件導(dǎo)通時(shí)有通態(tài)壓降，有通態(tài)損耗；器件關(guān)斷時(shí)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(guān)器件工作頻率不高時(shí)，開關(guān)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(hù)通常采取以下兩種措施：①安裝散熱器（風(fēng)冷、水冷、油冷）?！仨氂芒谟呻娮訜岜Ｗo(hù)電路完成。檢測(cè)開關(guān)器件的工作溫度，當(dāng)超過安全設(shè)定值時(shí)，采取關(guān)斷措施或限流措施?！c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(guān)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(dǎo)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(guān)器件的瞬態(tài)工況，減小器件的開關(guān)損耗。兩種緩沖電路：——關(guān)斷緩沖電路：又稱du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗?！_通緩沖電路：又稱di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。第二十七頁，共38頁。復(fù)合緩沖電路：將關(guān)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(chǔ)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?！伳苁骄彌_電路（無損吸收電路）：緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)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(shí)現(xiàn)：——把容性支路與主開關(guān)管并聯(lián)，以減緩電壓的變化?！迅行栽c主開關(guān)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(guān)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(gè)器件不能滿足要求。解決辦法：——將多個(gè)器件串聯(lián)以提高耐壓能力?！獙⒍鄠€(gè)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(dòng)態(tài)開關(guān)特性具有分散性，使得器件直接串并聯(lián)時(shí)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(shí)均壓、均流問題的解決辦法：——盡量保證器件的型號(hào)及參數(shù)一致，使串聯(lián)的每個(gè)器件承受的電壓一致、并聯(lián)的每個(gè)器件通過相同的電流；——串聯(lián)時(shí)均壓；——并聯(lián)時(shí)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(gè)工作狀態(tài):導(dǎo)通狀態(tài)：導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)通態(tài)壓降很小，不存在均壓?jiǎn)栴}。關(guān)斷狀態(tài)：阻斷狀態(tài)時(shí)，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(dòng)態(tài)電壓。關(guān)斷過程：關(guān)斷過程中，先關(guān)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(yùn)行中動(dòng)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