1、第9章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題,丘東元,2,目 錄,9.1 電力電子器件的驅(qū)動 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,3,9.1 電力電子器件的驅(qū)動,9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述 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)動電路,4,9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,驅(qū)動電路 主電路與控制電路之間的接口 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)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義； 對器件或整個裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。,5,9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,

2、驅(qū)動電路的基本任務(wù) 將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號； 對半控型器件只需提供開通控制信號； 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。,6,9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,驅(qū)動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 光耦合器的類型及接法：a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型,7,9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述,按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，將電力電子器件分為電流驅(qū)動型和電

3、壓驅(qū)動型。 驅(qū)動電路的具體形式可以是由分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路，但最好是采用專用集成驅(qū)動電路芯片。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)動電路。,8,9.1.2 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刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，還包括對其觸發(fā)時刻進(jìn)行控制的相位控制電路。,9,9.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路,晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通； 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度和陡度； 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)； 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。,理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形

4、t1t2脈沖前沿上升時間（1s） t1t3強脈沖寬度 IM強脈沖幅值（3IGT5IGT） t1t4脈沖寬度 I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）,10,9.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,1.電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 GTO GTO的開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流 使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力,推薦的GTO門極電壓電流波形,幅值需達(dá)陽極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/s，強負(fù)脈沖寬度約30s，負(fù)脈沖總寬約100s,施加約5V的負(fù)偏壓，以提高抗干擾

5、能力。,11,9.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,GTR 開通驅(qū)動電流應(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，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷 GTR驅(qū)動電流的前沿上升時間應(yīng)小于1us，以保證它能快速開通和關(guān)斷。,理想的GTR基極驅(qū)動電流波形,12,9.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路,2. 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 MOSFET的柵源間、IGBT的柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小 使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般為1015V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般為15 20V 關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取 -5 -15V

6、）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗 在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小,13,9.2 電力電子器件的保護(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（Snubber Circuit）,14,9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù),外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因 (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)束后產(chǎn)生的電流突變，因線路

7、電感在器件兩端感應(yīng)產(chǎn)生過電壓 (2) 關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，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,15,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,16,9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù),過電壓保護(hù)措施 電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種 RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇 外因過電

8、壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見 RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)或電力電子電路的直流側(cè),a)單相b)三相 RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式,17,9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù),過電壓保護(hù)措施 大容量電力電子裝置可 采用反向阻斷式RC電路 反向阻斷式過電壓抑制用RC電路 保護(hù)電路參數(shù)計算可參考相關(guān)工程手冊 其他常用措施：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,18,9.2.2 過電流保護(hù),過電流 分過載和短路兩種情況 常用措施快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器,過電流保護(hù)措施及配置位置,19,一般同時采用幾種過電流保護(hù)

9、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作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。,9.2.2 過電流保護(hù),過電流保護(hù)措施及配置位置,20,9.2.2 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 選擇快熔時應(yīng)考慮： 電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定； 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； 快熔的I 2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I 2t值； 為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性。,21,9.2.2 過電流保護(hù),快熔對器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和

10、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。 對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或工作頻率較高、很難用快熔保護(hù)的全控型器件，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)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，對過電流的響應(yīng)最快。,22,9.2.3 緩沖電路（Snubber Circuit）,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（d

11、i/dt 抑制電路） 抑制器件開通時的電流過沖和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 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,23,緩沖電路作用分析,無緩沖電路 V開通時電流迅速上升，di/dt很大 V關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓,24,緩沖電路作用分析,有緩沖電路 V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢 V關(guān)斷時：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,25,關(guān)斷時的負(fù)載曲線,無緩沖電路時：uCE迅速上升，負(fù)載線從A移到B，之后

12、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：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，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,26,9.2.3 緩沖電路（Snubber Circuit）,充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合； RC緩沖電路主要用于小容量器件； 放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件。,a)RC吸收電路 b)放電阻止型RCD吸收電路,27,緩沖電路中的元件選取及其他注意事項,Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊 吸收二極管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，

13、且選用內(nèi)部電感小的吸收電容.對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容 中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路,晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可,28,9.3 電力電子器件的串聯(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)運行的特點,29,目的 當(dāng)晶閘管額定電壓小于實際要求時，可以串聯(lián) 問題 理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因器件特性差異，使器件電壓分配不均勻,9.3.1 晶閘管的串聯(lián),30,9.3.1 晶閘管的串聯(lián),靜態(tài)不均壓 串聯(lián)的器件流

14、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，使另一個器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用； 反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。,a)伏安特性差異,動態(tài)不均壓 由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓,31,9.3.1 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)比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。 動態(tài)均壓措施 選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件； 用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓； 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異。,b)串聯(lián)均壓措施,32,9.3.2 晶閘管的并聯(lián),目

15、的：多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流。 問題 會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻 均流不佳，造成有的器件電流不足，有的過載，造成器件損壞 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； 用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流；,33,9.3.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點,電力MOSFET并聯(lián)運行的特點 Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，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)盡量對稱； 可在源極電路中串入小電感，起到均流電抗器的作用。,34,9.3.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點,IGBT并聯(lián)運行的特點 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1/2或1/3額定電流以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)； 并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián)。 實際并聯(lián)時，在器件參數(shù)選擇、電路布局和走線等方面也應(yīng)盡量一致