第3章全控型器件的驱动及其它共性问题.

第三章全控型器件的驱动及其他共性问题第一节典型全控型电力电子器件的驱动第二节电力电子器件的保护第三节电力电子器件的缓冲电路第四节电力电子器件的串、并联使用第一节典型全控型电力电子器件的驱动一、驱动电路概述1.驱动电路定义：主电路与控制电路之间的接口2.驱动电路的基本任务：将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换使电力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端之间）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。3.驱动电路的形式分立元件构成专用的集成驱动电路4.控制电路与主电路之间的电气隔离环节磁隔离的元件通常是脉冲变压器光隔离一般采用光耦合器(光耦）。其连接类型分别有普通型、高速型、高传输比型。ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1归纳1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使电力电子器件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、安全性有重要意义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。驱动电路对半控型器件提供开通控制信号关断信号开通信号对全控型器件提供驱动电路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）。驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号电流驱动型电压驱动型晶闸管电流驱动型器件半控型器件触发电路晶闸管的驱动电路归纳25.电流驱动型和电压驱动型：根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型。二、驱动电路1.电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR）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；关断：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。推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiGGTO驱动电路通常包括：开通电路、关断电路和门极反偏电路三部分。典型GTO驱动电路的解释：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栅源间、栅射间有数千皮法（PF)的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；开通的驱动电压应达一定值：MOSFET10~15V，IGBT15~20V；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（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。2.电压驱动型器件的驱动电路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电力MOSFET的一种驱动电路IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546-10V+15V30V+5VM57962L14ui1快恢复trr≤0.2s4.7k3.1100F100F第二节电力电子器件的保护一、过电压的产生及过电压保护1.过电压的产生原因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（浪涌过电压）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。过电压的产生过电压外因过电压内因过电压操作过电压雷击过电压换相过电压关断过电压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。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。电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形，如图所示：2.过电压的保护措施针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，称为吸收回路。（1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关断过电压）（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻外形同瓷介电容特性曲线同正反相稳压管压敏电阻的接法：a)单相联接b)三相星形联接二、过电流的产生及保护1.产生：短路、过载时会产生过电流2.保护：快速熔断器（1.57IT(AV)≥IFU≥ITM）快速熔断器保护的接法a)串于桥臂中b)串于交流侧c)串于直流侧银质熔丝石英沙过电流保护过电流保护措施过电流继电器快速熔断器直流快速断路器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性过电流短路时的部分区段的保护整定在电子电路动作之后实现保护整定在过载时动作短路过载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过电流保护措施及配置位置缓冲电路（吸收电路）作用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。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）用于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）用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗缓冲电路复合缓冲电路将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起耗能式缓冲电路缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上馈能式缓冲电路（无损吸收电路）缓冲电路中储能元件的能量回馈给负载或电流第三节电力电子器件的缓冲电路第四节电力电子器件的串、并联使用一、晶闸管的串联使用1.串联使用的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。2.串联使用时的问题：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。3.串联使用时要均压措施：一般在器件上并联阻值相等的电阻。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，Rj的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。动态均压措施通常在元件两端并联R、C阻容吸收回路，它既可起过电压保护作用，又可利用电容电压不能突变而减慢元件上的电压变化以实现动态均压的目的目的：多个器件并联来承担较大的电流。问题：SCR会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。二、晶闸管的并联使用a）电阻均流法：均流电阻阻值大于SCR导通时的内阻b）电抗均流法电力MOSFET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，通态压降具有负的温度系数。•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。三、电力MOSFET和IGBT并联运行的特点本章小结全控型电力电子器件按电流控制型和电压控制型两种分类，各自对驱动电路的基本要求以各有特点。驱动电路形式多样，本章仅对典型又常用的电路，特别是常用的集成驱动芯片作一些介绍。晶闸管的应用中更多地强调过电压、过电流及其相应的保护措施。过电压主要是指操作过电压和浪涌过电压两类；引起过电流的因素很多，如过载或短路。防止过压和过流的保护措施成熟，书中给出了保护电路的元件参数及选择的经验公式。全控型器件的工作频率比晶闸管要高得多，因此，开通与关断损耗是影响开关器件正常运行的重要因素，减少器件的开关损耗是正确使用器件的必备措施，缓冲电路的主要作用也正是如此。缓冲电路有开启、关断等多种电路结构，其目的就是改善器件的开关轨迹，进而减少开关损耗。