9第九章器件的驱动.ppt

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1、电力电子器件器件的驱动,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述 9.1.2 晶闸管的触发电路 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,9.1,电力电子器件驱动电路概述,驱动电路主电路与控制电路之间的接口 性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态。（缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要意义。 器件的驱动电路除完成驱动功能外，往往还完成故障保护和电气隔离。,9.1.1,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器,用于数十khz以下 磁隔离的元件通常是脉冲变压

2、器,最高可达几MHZ,图9-1 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,晶闸管的触发电路,晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门限触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路满足下列要求：,9.1.2,1. 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。对感性和反电势

3、负载用宽脉冲或脉冲列触发。三相全桥式采用宽于60度或采用相隔60度的双窄脉冲。 2. 触发脉冲应有足够的幅度。对户外寒冷地区，脉冲电流的幅度应增 大为器件触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也需要增加，一般需达1- 2A/us。 3. 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 4. 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,晶闸管的触发电路,可控硅常见触发驱动电路： b1端高压V1通-V2导通脉冲变压器初级电流通过脉冲变压器次极感应电压（上正下负）VD2导通通过R4限流输出正脉冲 b1端低电平V1截止V2截止TM脉冲变压器初级经过R3和VD，构成反方向电流通过脉冲变压

4、器次极感应电压（上负，下正）VD2截止无脉冲输出,图9-2 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s） t1t3强脉宽度 IM强脉冲幅值（3IGT5IGT） t1t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,图9-3 常见的 晶闸管触发电路,9.1.2,典型全控型器件的驱动电路,GTR是电流驱动型器件 导通GTR的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区或深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间加一个负偏压（6V左右）,9.1.3,1. 电流驱动型器件的驱动电路,图9-6 理想的GTR基极驱动

5、电流波形,图9-7是一种典型的GTR基极驱动电路。图中VD2和VD3构成贝克钳位电路，可使GTR处于临界饱和导通。图中C2为开通加速电容。 电路分析： A端高电平光耦通电流V2导通V3截止V4通V5通，V6截止通过C2，R5在GTR基极加入脉冲电流 A端低电平光耦不通V2截止V3导通V4，V5截止V6导通通过VD4，R5，GTR基极反向抽流，加速GTR截止,图9-7 GTR的一种驱动电路,9.1.3,典型全控型器件的驱动电路,2. 电压驱动型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件 电力MOSFET和IGBT的栅射极之间都有数百至数千皮法的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱

6、动电路具有较小的输出电阻。 MOSFET栅极驱动电压一般取10-15V。IGBT取15-20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压（-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。,9.1.3,电力MOSFET的一种驱动电路,典型全控型器件的驱动电路,9.1.3,图中A为高速放大器，V2和V3构成图腾柱输出驱动电路。背靠背反串稳压管用于MOSFET门极保护。 工作原理分析如下： Ui无信号V1截止放大器A输出负电平V3通MOSFET栅极反向抽流，加速关断 Ui有信号光耦通V1通放大器输出正电平V2通+Vcc-V2-R2构成通路向MOSFET栅极充电，加速MO

7、SFET导通 实际应用如功率器件的用量较大或可靠性要求较高，可选用集成驱动电路 如驱动GTR的有：THOMSON的UAA4002，三菱公司的M57215BL 驱动MOSFET的有：三菱公司的M57918L，IR的IR2110 驱动IGBT的有：三菱公司的M57962L和M57959L，富士公司的EXB840，EXB841等等。,电力电子器件器件的保护,9.2.1 过电压的产生及过电压保护 9.2.2 过电流保护 9.2.3 缓冲电路（Snubber Circuit）,9.2,在电力电子电路中，除了主电路设计正确，电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，d

8、u/dt保护和di/dt保护是必要的。,过电压的产生分外因过电压和内因过电压两类: 1.外因过电压：a. 操作过电压 b雷击过电压 2.内因过电压：a. 换相过电压 b. 关断过电压,过电压的产生及过电压保护,9.2.1,过电压的产生及过电压保护,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 (2) 雷击过电压：由雷击引起 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 (1) 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力

9、时，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压 (2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,9.2.1,过电压和抑制措施及配置如图9-10所示。 过压抑制的种类： a.RC电路 b.压敏电阻 c.RDC电路,图9-10 过电压抑制措施及配置位置 F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器 RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路 RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路,9.2.1,过电流保护,过

10、电流过载和短路两种情况 常用措施（图9-13）,电力电子装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种，图9-13给出了各种过电流保护措施及其配置位量。,图9-13 过电流保护措施及配置位置,9.2.2,一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施： a 电子电路过流保护电路，就近保护功率器件，如SCR，GTR，MOSFET b 快速熔断器：电子保护不起作用时，由快速熔断完成 c 交流断路器，前两种保护不起作用，由交流熔断器完成切断电路。这种保护最彻底，但速度较慢。,过电流保护,9.2.2,缓冲电路又称吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt电压上升率

11、、di/dt电流上升率，减小器件的开关损耗 缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。,缓冲电路（Snubber Circuit）,9.2.3,A. 关断缓冲电路又称du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断电压和换相过电压，抑制du/dt上升率，减小关断损耗，典型由RDC元件构成。 B. 开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗，典型由RDL器件构成。,图9-14 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形,缓冲电路（Snubber Circuit）,9.2.3,关断时的负载曲线,图9-15 关断时的负载线

12、,无缓冲电路时：uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C。,有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C。,负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低。,缓冲电路（Snubber Circuit）,9.2.3,在无缓冲电路的情况下，绝缘栅双极管V开通电流迅速上升，di/dt很大，也就是所承受的电流应力很大。 IGBT关断时的du/dt很大，并出现很高的过电压，也就是说所承受的电压应力很大。 无缓冲电路情况下，器件工作在负载线A-B-C，器件开关损耗很大，可能超安全工作区。 有缓冲电路时

13、，器件工作在负载线A-D-C，器件开关损耗很小，工作在安全区内。,9.2.3 缓冲电路,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,图9-14 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路,其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,图9-16 另外两种常用的缓冲电路 RC吸收电路 放电阻止型RCD吸收电路,9.3 电力电子器件器件的串联和并联使用,9.3.1 晶闸管的串联 9.3.2 晶闸管的并联 9.3.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,9.3.1 晶闸管的串联,问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电

14、压分配不均匀。 静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。 动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。,目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。,9.3.1 晶闸管的串联,静态均压措施： 选用参数和特性尽量一致的器件。 采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。,图9-17 晶闸管的串联 a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施,动态均压措施： 选择动态参数和特性尽量一致的器件。 用RC并联支路作动态均压。 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。,9.3.2 晶闸管的并联,问题：会分别因静态和动态特性参数的差异

15、而电流分配不均匀。 均流措施： 挑选特性参数尽量一致的器件。 采用均流电抗器。 用门极强脉冲触发也有助于动态均流。 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。,目的：多个器件并联来承担较大的电流,9.3.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。 电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。 IGBT并联运行的特点 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。 在以上的区段则具有正温度系数。 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。,电力MOSFET并联运行的特点,