9 电力电子器件应用的共性问题

第9章电力电子器件应用的共性问题丘东元2目录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39.1电力电子器件的驱动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49.1.1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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在驱动电路中，或通过驱动电路实现。59.1.1电力电子器件驱动电路概述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。69.1.1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)UinUoutR1ICIDR1R179.1.1电力电子器件驱动电路概述按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路的具体形式可以是由分立元件构成的驱动电路，但最好是采用专用集成驱动电路芯片。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。89.1.2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。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。99.1.2晶闸管的触发电路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；触发脉冲应有足够的幅度和陡度；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。IIMt1t2t3t4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）109.1.3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推荐的GTO门极电压电流波形幅值需达阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/s，强负脉冲宽度约30s，负脉冲总宽约100s施加约5V的负偏压，以提高抗干扰能力。119.1.3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GTR驱动电流的前沿上升时间应小于1us，以保证它能快速开通和关断。tOib理想的GTR基极驱动电流波形129.1.3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MOSFET的栅源间、IGBT的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为10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般为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139.2电力电子器件的保护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（SnubberCircuit）149.2.1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中的操作过程等外部原因(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产生的电流突变，因线路电感在器件两端感应产生过电压(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15过电压抑制措施及配置位置S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDCF－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169.2.1过电压的产生及过电压保护过电压保护措施电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧或电力电子电路的直流侧+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1-35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRaa)单相b)三相RC过电压抑制电路联结方式179.2.1过电压的产生及过电压保护过电压保护措施大容量电力电子装置可采用反向阻断式RC电路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其他常用措施：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1-36C1R1R2C2189.2.2过电流保护过电流－－分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过电流保护措施及配置位置19一般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。9.2.2过电流保护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过电流保护措施及配置位置209.2.2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)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定；2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定；3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值；4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。219.2.2过电流保护快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种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；短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或工作频率较高、很难用快熔保护的全控型器件，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，对过电流的响应最快。229.2.3缓冲电路（SnubberCircuit）缓冲电路（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。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将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起—复合缓冲电路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23缓冲电路作用分析无缓冲电路V开通时电流迅速上升，di/dt很大V关断时du/dt很大，并出现很高的过电压tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiCRiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDs24缓冲电路作用分析有缓冲电路V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC25关断时的负载曲线无缓冲电路时：uCE迅速上升，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CADCB无缓冲电路有缓冲电路图1-39uCEiCORiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDs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269.2.3缓冲电路（SnubberCircuit）充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合；RC缓冲电路主要用于小容量器件；放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDsa)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路27缓冲电路中的元件选取及其他注意事项Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册吸收二极管VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容.对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDs晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可289.3电力电子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29目的当晶闸管额定电压小于实际要求时，可以串联问题理想串联希望器件分压相等，但因器件特性差异，使器件电压分配不均匀9.3.1晶闸管的串联309.3.1晶闸管的串联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；承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用；反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。IOUUT1IRUT2VT1VT2a)伏安特性差异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319.3.1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。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上的差异。b)串联均压措施RCRCVT1VT2RPRP329.3.2晶闸管的并联目的：多个器件并联来承担较大的电流。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均流不佳，造成有的器件电流不足，有的过载，造成器件损坏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；339.3.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点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。349.3.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点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