第九章器件的驅(qū)動(dòng)第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口

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，對裝置的運(yùn)行效率，可靠性和安全性都有重要意義。器件的驅(qū)動(dòng)電路除完成驅(qū)動(dòng)功能外，往往還完成故障保護(hù)和電氣隔離。9.1.1第2頁，課件共25頁，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,用于數(shù)十khz以下

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器,最高可達(dá)幾MHZ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3頁，課件共25頁，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)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。分類第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門限觸發(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)電路滿足下列要求：9.1.2

1.觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。對感性和反電勢負(fù)載用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。三相全橋式采用寬于60度或采用相隔60度的雙窄脈沖。2.觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。對戶外寒冷地區(qū)，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件觸發(fā)電流的3-5倍，脈沖前沿的陡度也需要增加，一般需達(dá)1-2A/us。

3.不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。4.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。第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管的觸發(fā)電路可控硅常見觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路：b1端高壓—>V1通-

V2導(dǎo)通—>脈沖變壓器初級(jí)電流通過—>脈沖變壓器次極感應(yīng)電壓（上正下負(fù)）—>VD2導(dǎo)通—>通過R4限流輸出正脈沖b1端低電平—>V1截止—>V2截止—>TM脈沖變壓器初級(jí)經(jīng)過R3和VD，構(gòu)成反方向電流通過—>脈沖變壓器次極感應(yīng)電壓（上負(fù)，下正）—>VD2截止—>無脈沖輸出圖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）圖9-3常見的晶閘管觸發(fā)電路9.1.2ItIMt1t2t3t4第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR是電流驅(qū)動(dòng)型器件導(dǎo)通GTR的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)或深飽和區(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)在基射極之間加一個(gè)負(fù)偏壓（6V左右）

9.1.31.電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

圖9-6理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形tOib第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月圖9-7是一種典型的GTR基極驅(qū)動(dòng)電路。圖中VD2和VD3構(gòu)成貝克鉗位電路，可使GTR處于臨界飽和導(dǎo)通。圖中C2為開通加速電容。電路分析：A端高電平——>光耦通電流——>V2導(dǎo)通——>V3截止——>V4通——>V5通，V6截止——>通過C2，R5在GTR基極加入脈沖電流A端低電平——>光耦不通——>V2截止——>V3導(dǎo)通——>V4，V5截止——>V6導(dǎo)通——>通過VD4，R5，GTR基極反向抽流，加速GTR截止圖9-7GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路9.1.3VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路2.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件電力MOSFET和IGBT的柵射極之間都有數(shù)百至數(shù)千皮法的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電壓一般取10-15V。IGBT取15-20V關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（-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。9.1.3電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路9.1.3圖中A為高速放大器，V2和V3構(gòu)成圖騰柱輸出驅(qū)動(dòng)電路。背靠背反串穩(wěn)壓管用于MOSFET門極保護(hù)。工作原理分析如下：Ui無信號(hào)——>V1截止——>放大器A輸出負(fù)電平——>V3通——>MOSFET柵極反向抽流，加速關(guān)斷Ui有信號(hào)——>光耦通——>V1通——>放大器輸出正電平——>V2通——>+Vcc->V2->R2構(gòu)成通路向MOSFET柵極充電，加速M(fèi)OSFET導(dǎo)通實(shí)際應(yīng)用如功率器件的用量較大或可靠性要求較高，可選用集成驅(qū)動(dòng)電路如驅(qū)動(dòng)GTR的有：THOMSON的UAA4002，三菱公司的M57215BL驅(qū)動(dòng)MOSFET的有：三菱公司的M57918L，IR的IR2110驅(qū)動(dòng)IGBT的有：三菱公司的M57962L和M57959L，富士公司的EXB840，EXB841等等。第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月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在電力電子電路中，除了主電路設(shè)計(jì)正確，電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)，過電流保護(hù)，du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)是必要的。

第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月過電壓的產(chǎn)生分外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類:1.外因過電壓：a.操作過電壓b．雷擊過電壓2.內(nèi)因過電壓：a.換相過電壓b.關(guān)斷過電壓過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)

9.2.1第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月過電壓的產(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)，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。

9.2.1

第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月過電壓和抑制措施及配置如圖9-10所示。過壓抑制的種類：a.R．C電路b.壓敏電阻c.RDC電路圖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

9.2.1

SFRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月過電流保護(hù)過電流——過載和短路兩種情況

常用措施（圖9-13）電力電子裝置運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種，圖9-13給出了各種過電流保護(hù)措施及其配置位量。圖9-13過電流保護(hù)措施及配置位置9.2.2負(fù)載觸發(fā)電路開關(guān)電路過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第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施：a電子電路過流保護(hù)電路，就近保護(hù)功率器件，如SCR，GTR，MOSFETb快速熔斷器：電子保護(hù)不起作用時(shí)，由快速熔斷完成c交流斷路器，前兩種保護(hù)不起作用，由交流熔斷器完成切斷電路。這種保護(hù)最徹底，但速度較慢。過電流保護(hù)9.2.2第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月緩沖電路又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt電壓上升率、di/dt電流上升率，減小器件的開關(guān)損耗緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。緩沖電路（SnubberCircuit）9.2.3第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月A.關(guān)斷緩沖電路又稱du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷電壓和換相過電壓，抑制du/dt上升率，減小關(guān)斷損耗，典型由RDC元件構(gòu)成。B.開通緩沖電路又稱為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，典型由RDL器件構(gòu)成。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)波形緩沖電路（SnubberCircuit）9.2.3a)b)RiVDLVdidt抑制電路緩沖電路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制電路無時(shí)didt抑制電路有時(shí)有緩沖電路時(shí)無緩沖電路時(shí)uCEiC第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)斷時(shí)的負(fù)載曲線

圖9-15關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線無緩沖電路時(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。緩沖電路（SnubberCircuit）9.2.3在無緩沖電路的情況下，絕緣柵雙極管V開通電流迅速上升，di/dt很大，也就是所承受的電流應(yīng)力很大。IGBT關(guān)斷時(shí)的du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓，也就是說所承受的電壓應(yīng)力很大。無緩沖電路情況下，器件工作在負(fù)載線A->B->C，器件開關(guān)損耗很大，可能超安全工作區(qū)。有緩沖電路時(shí)，器件工作在負(fù)載線A->D->C，器件開關(guān)損耗很小，工作在安全區(qū)內(nèi)。ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO第19頁，課件共25頁，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20頁，課件共25頁，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21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月9.3.1晶閘管的串聯(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。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22頁，課件共25頁，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)RC