電力電子器件應用共性問題

1、第第9章章 電力電子器件應用的共性問題電力電子器件應用的共性問題 9.1 電力電子器件的驅動電力電子器件的驅動 9.2 電力電子器件的保護電力電子器件的保護 9.3 電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用 本章小結本章小結2/26本章要點本章要點本章要點本章要點 對電力電子器件驅動電路的基本要求。對電力電子器件驅動電路的基本要求。 在驅動電路中實現(xiàn)電力電子主電路和控制電路電氣隔離的基本方在驅動電路中實現(xiàn)電力電子主電路和控制電路電氣隔離的基本方 法和原理。法和原理。 對晶閘管觸發(fā)電路的基本要求以及典型觸發(fā)電路的基本原理。對晶閘管觸發(fā)電路的基本要求以及典型觸發(fā)電路的基本原

2、理。 對電力對電力MOSFET和和IGBT等全控型器件驅動電路的基本要求以及典等全控型器件驅動電路的基本要求以及典 型驅動電路的基本原理。型驅動電路的基本原理。 電力電子器件過電壓的產(chǎn)生原因和過電壓保護的主要方法及原理。電力電子器件過電壓的產(chǎn)生原因和過電壓保護的主要方法及原理。 電力電子器件過電流保護的主要方法及原理。電力電子器件過電流保護的主要方法及原理。 電力電子器件緩沖電路的概念、分類、典型電路。電力電子器件緩沖電路的概念、分類、典型電路。 電力電子器件串聯(lián)和并聯(lián)使用的目的、基本要求以及具體注意事電力電子器件串聯(lián)和并聯(lián)使用的目的、基本要求以及具體注意事 項。項。3/269.1 電力電子器

3、件的驅動電力電子器件的驅動 9.1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述 9.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 9.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路 4/269.1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述驅動電路驅動電路 是電力電子主電路與控制電路之間的是電力電子主電路與控制電路之間的接口接口。 良好的驅動電路使電力電子器件工作在較理想的良好的驅動電路使電力電子器件工作在較理想的開關開關狀態(tài)狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗。，縮短開關時間，減小開關損耗。 對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對裝置的運行效率、可靠性和安全

4、性都有重要的意義。 一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現(xiàn)。路實現(xiàn)。驅動電路的基本任務驅動電路的基本任務 按控制目標的要求給器件施加按控制目標的要求給器件施加開通開通或或關斷關斷的信號。的信號。 對半控型器件只需提供開通控制信號；對全控型器件對半控型器件只需提供開通控制信號；對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。5/269.1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用驅動電路還要提供控制電路與主電路

5、之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔光隔離離或或磁隔離磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器光隔離一般采用光耦合器 光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內。光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內。 有有普通普通、高速高速和和高傳輸比高傳輸比三種類型。三種類型。 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器磁隔離的元件通常是脈沖變壓器 ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖圖9-1 光耦合器的類型及接法光耦合器的類型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高傳輸比型高傳輸比型 6/269.1.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述驅動電路的分

6、類驅動電路的分類 按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質，可以將電力電子器件分為信號的性質，可以將電力電子器件分為電流驅動型電流驅動型和和電電壓驅動型壓驅動型兩類。兩類。 晶閘管的驅動電路常稱為觸發(fā)電路。晶閘管的驅動電路常稱為觸發(fā)電路。 驅動電路具體形式可為驅動電路具體形式可為分立元件分立元件的，但目前的趨勢是采的，但目前的趨勢是采用專用用專用集成驅動電路集成驅動電路。 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路。混合集成電路。 為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家

7、專門開為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅動電路。發(fā)的集成驅動電路。7/269.1.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路圖圖9-3 常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路 由由V2、V3構成的構成的脈沖放大環(huán)脈沖放大環(huán)節(jié)節(jié)和脈沖變壓器和脈沖變壓器TM和附屬電路構和附屬電路構成的成的脈沖輸出環(huán)節(jié)脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。兩部分組成。 當當V1、V2導通時，通過脈沖導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。間輸出觸發(fā)脈沖。 VD1和和R3是為了是為了V2、V3由導由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器通變

8、為截止時脈沖變壓器TM釋放釋放其儲存的能量而設的。其儲存的能量而設的。 為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它強脈沖部分，還需適當附加其它電路環(huán)節(jié)。電路環(huán)節(jié)。 8/269.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路tOibGTR 開通的基極驅動電流應使其處于開通的基極驅動電流應使其處于準飽和導準飽和導通狀態(tài)通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。 關斷時，施加一定的負基極電流有利于減關斷時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（

9、極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。左右）的負偏壓。 GTR的一種驅動電路的一種驅動電路 包括包括電氣隔離電氣隔離和和晶體管放大電路晶體管放大電路兩部分。兩部分。驅動驅動GTR的集成驅動電路中，的集成驅動電路中，THOMSON公公司的司的UAA4002和三菱公司的和三菱公司的M57215BL較為常較為常見。見。圖圖9-6 理想的理想的GTR基極驅動電流波形基極驅動電流波形VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖圖9-7 GTR的一種驅動電路的一種驅動電路 9/269.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路圖

10、圖9-8 電力電力MOSFET的一種驅動電路的一種驅動電路電壓驅動型器件的驅動電路電壓驅動型器件的驅動電路 電力電力MOSFET和和IGBT是電壓驅動型器件。是電壓驅動型器件。 電力電力MOSFET 專為驅動電力專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成而設計的混合集成電路有三菱公司的電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電，其輸入信號電流幅值為流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為，輸出最大脈沖電流為+2A和和-3A，輸出驅動電壓，輸出驅動電壓+15V和和-10V。 10/269.1.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路圖圖9-9 M57962L型型IGBT驅動器的原理和接線

11、圖驅動器的原理和接線圖 IGBT 多采用專用的多采用專用的混合集成驅動器混合集成驅動器，常用的有，常用的有三菱公司的三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。11/269.2 電力電子器件的保護電力電子器件的保護 9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 9.2.2 過電流保護過電流保護 9.2.3 緩沖電路緩沖電路12/269.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓分為過電壓分為外因過電壓外因過電壓和和內因過電壓

12、內因過電壓兩類。兩類。 外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原 因，包括因，包括 操作過電壓操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓。：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓。 雷擊過電壓雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。：由雷擊引起的過電壓。內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過 程，包括程，包括 換相過電壓換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器

13、件兩端感應出過電壓。器件兩端感應出過電壓。 關斷過電壓關斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。兩端感應出的過電壓。 13/269.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護圖圖9-10過電壓抑制措施及配置位置過電壓抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D變壓器靜電屏蔽層變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側閥側浪涌過電壓抑制用浪涌過電壓抑制用RC電路電路RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式閥側浪涌過電

14、壓抑制用反向阻斷式RC電路電路RV壓敏電阻過電壓抑制器壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用閥器件換相過電壓抑制用RC電路電路RC4直直流側流側RC抑制電路抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路電路各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。 14/269.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護圖圖9-11 RC過電壓抑制電路聯(lián)結方式過電壓抑制電路聯(lián)結方式a)單相單相b)三相三相圖圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用反向阻斷式過電壓抑制用RC電路電路抑制外因過電壓來采用抑制外因過電壓來采用RC過電

15、壓抑制電路。過電壓抑制電路。對大容量的電力電子裝置，可采用圖對大容量的電力電子裝置，可采用圖9-12所示的所示的反向阻斷式反向阻斷式RC電路。電路。采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。 15/269.2.2 過電流保護過電流保護圖圖9-13 過電流保護措施及配置位置過電流保護措施及配置位置過電流分過載和短路兩種情況。過電流分過載和短路兩種情況。 過電流保護措施及其配置位置過電流保護措施及其配置位置 快速熔斷器快速熔斷

16、器、直流快速斷路器直流快速斷路器和和過電流繼電器過電流繼電器是較為常用的措施，一般電是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。 通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。時動作。 16/269.2.2 過電流保護過電流保護快速熔斷器（簡稱快熔）快速

17、熔斷器（簡稱快熔） 是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。護措施。 對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或全控型器件，對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或全控型器件，需采用需采用電子電子電路電路進行過電流保護。進行過電流保護。常在全控型器件的驅動電路中設置常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)過電流保護環(huán)節(jié)，器，器件對電流的件對電流的響應是最快的。響應是最快的。17/269.2.3 緩沖電路緩沖電路緩沖電路（緩沖電路（Snubber Circuit）又稱為吸收電路，其作用）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的是抑制電力電子

18、器件的內因過電壓內因過電壓、du/dt或者或者過電流過電流和和di/dt，減小器件的，減小器件的開關損耗開關損耗。分類分類 分為分為關斷緩沖電路關斷緩沖電路和和開通緩沖電路開通緩沖電路 關斷緩沖電路：又稱為關斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器抑制電路，用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損，減小關斷損耗。耗。 開通緩沖電路：又稱為開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。，減小器件的開通損耗。 復合緩沖電路：關斷緩沖電路和開

19、通緩沖電路結合復合緩沖電路：關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起。在一起。 還可分為還可分為耗能式緩沖電路耗能式緩沖電路和和饋能式緩沖電路饋能式緩沖電路 耗能式緩沖電路耗能式緩沖電路 ：緩沖電路中儲能元件的能量消耗：緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。在其吸收電阻上。 通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，而將開通緩沖電通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，而將開通緩沖電路區(qū)別叫做路區(qū)別叫做di/dt抑制電路。抑制電路。 18/269.2.3 緩沖電路緩沖電路b)tuCEiCOd idt抑制電路時無didt抑制電路時有有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖圖9-14di/dt抑制電路和充放電型抑制電

20、路和充放電型RCD緩沖電路及波形緩沖電路及波形a) 電路電路 b) 波形波形緩沖電路緩沖電路 圖圖9-14a給出的是一種緩給出的是一種緩沖電路和沖電路和di/dt抑制電路的電抑制電路的電路圖。路圖。 在無緩沖電路的情況下，在無緩沖電路的情況下，di/dt很大，關斷時很大，關斷時du/dt很大，很大，并出現(xiàn)很高的過電壓，如圖并出現(xiàn)很高的過電壓，如圖9-14b。 在有緩沖電路的情況下在有緩沖電路的情況下 V開通時，開通時，Cs先通過先通過Rs向向V放電，使放電，使iC先上一個先上一個臺階，以后因為臺階，以后因為Li的作用，的作用，iC的上升速度減慢。的上升速度減慢。 19/269.3 電力電子器件

21、的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用電力電子器件的串聯(lián)使用和并聯(lián)使用 9.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián) 9.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián) 9.3.3 電力電力MOSFET的并聯(lián)和的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)的并聯(lián)20/269.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)圖圖9-17 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施串聯(lián)均壓措施對較大型的電力電子裝置，當單個對較大型的電力電子裝置，當單個電力電子器件的電壓或電流定額不能電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要滿足要求時，往往需要將電力電子器將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作，或者起來工作，或者將電力將電力電子裝置串

22、聯(lián)或并聯(lián)電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。起來工作。 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián) 當晶閘管的當晶閘管的額定電壓額定電壓小于實際要小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯(lián)。串聯(lián)。 靜態(tài)不均壓問題靜態(tài)不均壓問題 由于器件靜態(tài)特性不同而造成由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓問題。的均壓問題。 為達到靜態(tài)均壓，首先應選用為達到靜態(tài)均壓，首先應選用參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以以采用電阻均壓采用電阻均壓。 Rp的阻值應比任的阻值應比任何一個器件阻斷何一個器件阻斷時的正、反向電時的正、反向電阻小得多阻小得多21/269.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶

23、閘管的串聯(lián)圖圖9-17 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施串聯(lián)均壓措施對較大型的電力電子裝置，當單個對較大型的電力電子裝置，當單個電力電子器件的電壓或電流定額不能電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要滿足要求時，往往需要將電力電子器將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作，或者起來工作，或者將電力將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。起來工作。 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián) 動態(tài)不均壓問題動態(tài)不均壓問題 由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓問題。異造成的不均壓問題。 為達到動態(tài)均壓，同樣首先應為達到動態(tài)

24、均壓，同樣首先應選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外還可以另外還可以用用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均并聯(lián)支路作動態(tài)均壓壓；對于晶閘管來講，；對于晶閘管來講，采用門極強脈采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異的差異。 Rp的阻值應比任的阻值應比任何一個器件阻斷何一個器件阻斷時的正、反向電時的正、反向電阻小得多阻小得多22/269.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián) 大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯(lián)來承大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯(lián)來承擔擔較大的電流較大的電流。 晶閘管并聯(lián)就會分別因晶閘管并聯(lián)就會分別因靜態(tài)靜態(tài)和和動態(tài)動態(tài)特性參數(shù)的特性參數(shù)的差異而存在電流分配不均勻的問題。差異而存在電流分配不均勻的問題。 均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器件，此外還可以采用件，此外還可以采用均流電抗器均流電抗器；同樣，用門極；同樣，用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先先串后并串后并的方法聯(lián)接。的方法聯(lián)接。 23/269.3.3 電力電力MOSFET的并聯(lián)和的并聯(lián)和IGBT的并聯(lián)的并聯(lián)電力電力MOSFET的并聯(lián)的并聯(lián) Ron具有具有正溫度系數(shù)正溫