电力电子器件应用的共性问题.ppt

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1、9-1,第9章 电力电子器件应用的共性问题,9.1 电力电子器件的驱动 9.2 电力电子器件的保护 9.3 电力电子器件的串联和并联使用,9-2,9.1 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,9-3,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,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的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。

2、 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,9-4,9.1.1 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 磁隔离的元件通常是脉冲变压器,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,9-5,9.1.1 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

3、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,9-6,9.1.2 晶闸管的触发电路,作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 晶闸管触发电路应满足下列要求： 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,t,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）,晶闸管的触发电路,9-7,承受反向电压

4、时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。 DATASHEET,晶闸管正常工作时的特性总结如下：,9.1.2 晶闸管的触发电路,9-8,9.1.2 晶闸管的触发电路,V1、V2构成脉冲放大环节。 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。 V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。,图9-3 常见的晶闸管触发电路,常见的晶闸管触发电路,9-9,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,(1) GTO GT

5、O的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。,图9-4 推荐的GTO门极电压电流波形,1) 电流驱动型器件的驱动电路,正的门极电流,5V的负偏压,GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,9-10,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,图9-5 典型的直接耦合式GTO驱动电路,9-11,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱

6、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施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图9-6 理想的GTR基极驱动电流波形,(2) GTR,9-12,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。,图9-7 GTR的一种驱动电路,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,9-13,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电

7、压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-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。,2) 电压驱动型器件的驱动电路,9-14,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,(1) 电力MOSFET的一种驱动电路： 电气隔离和晶体管放大电路两部分,图9-8 电力MOSFET的一种驱动电路,专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。,9-15,9.1.3 典型全控型器件的驱动电

8、路,(2) IGBT的驱动,图9-9 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,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）。,多采用专用的混合集成驱动器。,9-16,9.2 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,9-17,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 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

9、程 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，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。 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。,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压,9-18,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,过电压保护措施,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

10、过电压抑制用RCD电路,电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,9-19,9.2.2 过电流保护,过电流过载和短路两种情况 保护措施,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。 电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分 区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。,图9-11 过电流保护措施及配置位置,9-20,9.2.2 过电流保护,全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。 短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。 对重要的且易

11、发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。,快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种,9-21,9.2.3 缓冲电路,关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。 按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。,缓冲电路(S

12、nubber Circuit) ： 又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。,9-22,9.2.3 缓冲电路,缓冲电路作用分析 无缓冲电路： 有缓冲电路：,图9-13 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,图9-12 关断时的负载线,9-23,9.2.3 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9-15 另外两种常用的缓冲电路 RC

13、吸收电路 放电阻止型RCD吸收电路,9-24,9.3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,9-25,9.3.1 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。,9-26,9.3.1 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

14、阻断时的正、反向电阻小得多。,图9-16 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。,9-27,9.3.2 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,9-28,9.3.3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,