第五讲电力电子器件

电力电子技术PowerElectronicTechnology电力电子器件的驱动、保护电力电子器件的串联和并联合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4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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对器件或整个装置的一些保护措施也往往设计在驱动电路中，或通过驱动电路实现驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号对半控型器件只需提供开通控制信号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RsRGRFRLiDuGSup+UE合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4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1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4电力电子器件驱动电路概述•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。驱动电路可以采用分立元件来构成，目前的趋势是采用专用集成驱动电路：GSDA合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4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广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路晶闸管触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概念）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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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4晶闸管的触发电路•晶闸管触发电路的原理解释：•V1、V2构成脉冲放大环节（V1和V2接成达林顿结构）；•脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节，这里利用了脉冲变压器原边的电压等于电感与电流变化率的乘积的原理在副边产生了触发脉冲开始的大电流；•V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的G和K之间输出触发脉冲；•VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设计。在以后的电路中会多次出现这种电路的使用。图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2脉冲前沿上升时间（1s）t1~t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）图1-27常见的晶闸管触发电路ItIMt1t2t3t4合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5典型全控型器件的驱动电路1.电流驱动型器件的驱动电路GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力OttOuGiG图1-28推荐的GTO门极电压电流波形5V的负偏压合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5典型全控型器件的驱动电路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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，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5典型全控型器件的驱动电路a)直接耦合式驱动电路b)脉冲变压器耦合式驱动电路a)为一种直接耦合式门极驱动电路。电路采用半桥结构，通过C1和C2分压，为GTO的阴极提供零电位。控制信号uon使得V1导通，为GTO提供触发电流；而关断信号uoff使得V2导通，C2的电压放电产生关断负电流使GTO关断。这种电路结构简单，有较强的关断能力。b)为最简单的脉冲变压器耦合门极驱动电路，当驱动晶体管V导通时，关断GTO。V关断时，利用变压器中贮能使GTO开通。这个电路最大的特点是简单且效率高。但由于开通仅依靠变压器在关断过程中存贮的能量．对大容量GTO不太适合。uGAKonoffu+-CC1KG+-V2Aa)b)VV12合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5典型全控型器件的驱动电路直接耦合式GTO驱动电路：•二极管VD1和电容C1提供+5V电压•VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压•VD4和电容C4提供-15V电压•V1开通时，输出正强脉冲•V2开通时输出正脉冲平顶部分•V2关断而V3开通时输出负脉冲•V3关断后R3和R4提供门极负偏压50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4图1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路BAoC合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1典型全控型器件的驱动电路GTR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1-30理想的GTR基极驱动电流波形tOib合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1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•当V1导通时，V2导通使V3截止，则V4和V5组成的达林顿电路工作，对V基极注入驱动电流，使V导通；当V1截止时，V3导通使V6导通，V5截止，则V截止。C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通GTR目前的驱动也使用集成驱动电路，如三菱公司的M57215BL。VD1AV0V+10V+15VV1V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1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•栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小•使MOSFET开通的驱动电压一般10～15V，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（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。数值较小的栅极电阻能加快栅极电容的充放电，从而减小开关时间和开关损耗，但与此同时也降低了栅极的抗噪声能力，并可能导致寄生电感产生振荡。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1典型全控型器件的驱动电路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无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC图1-32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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1典型全控型器件的驱动电路•IGBT的驱动•可使用分立元件组成驱动电路，也可使用IGBT专用集成驱动电路。IGBT专用集成驱动电路可靠性高、体积小，是专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路，主要有富士公司的EXB8XX系列和夏普公司的PC929等。EXB8XX系列IGBT专用集成驱动电路采用单列直插式封装，使用单电源20V供电，在输出脚3和1间产生约15V的导通驱动电压，而通过内部稳压管在输出脚1和9间产生约-5V的关断偏压。其内置过流保护电路，可通过检测IGBT在导通过程中的饱和压降来实施对IGBT的过流保护，同时提供过流检测输出信号，便于外部电路采集。由于其内部集成了功率放大电路，在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。AGCE合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1典型全控型器件的驱动电路IGBT驱动电路的应用电压电流范围标准型驱动电路信号延迟时间为4μs，最大运行频率为10kHz；高速型驱动电路信号最大延迟时间为1.5μs，最大运行频率为40kHz。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.2电力电子器件的保护•5.2.1过电压的产生及过电压保护•5.2.2过电流保护•5.2.3缓冲电路（SnubberCircuit）合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.2.1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，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.2.1过电压的产生及过电压保护过电压保护措施S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC阀侧器件换相过电压抑制用RC电路压敏电阻过电压抑制器阀侧浪涌过电压抑制用RC电路变压器静电屏蔽层避雷器阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路静电感应过电压抑制电容直流侧RC抑制电路阀器件关断过电压抑制用RCD电路合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.2.1过电压的产生及过电压保护+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1-35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa图1-35RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.2.1过电压的产生及过电压保护大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路图1-36反向阻断式过电压抑制用RC电路保护电路参数计算可参考相关工程手册其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C2合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.2.2过电流的产生及过电流保护过电流——过载和短路两种情况常用措施：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器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1-37过电流保护措施及配置位置负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.2.2过电流的产生及过电流保护快速熔断器电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施选择快熔时应考虑：(1)电压等级根