第9章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題

1、第第9 9章章 電力電子器件應(yīng)用的共性問題電力電子器件應(yīng)用的共性問題 9.1 9.1 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動 9.2 9.2 電力電子器件的保護電力電子器件的保護 9.3 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(jié)本章小結(jié)Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation2/269.1 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動 9.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述 9.1.2 晶閘管的觸發(fā)

2、電路晶閘管的觸發(fā)電路 9.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation3/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路驅(qū)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(qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的良好的驅(qū)動電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。驅(qū)動電路的

3、基本任務(wù)驅(qū)動電路的基本任務(wù) 將將信息電子電路信息電子電路傳來的傳來的信號信號按按控制目標的要求控制目標的要求，轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為施加在電力電子器件為施加在電力電子器件控制端和公共端控制端和公共端之間，可以使其之間，可以使其開通開通或或關(guān)斷關(guān)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(guān)斷控制信號。則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and

4、 Automation4/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)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(qū)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)，一般采用光隔光隔離離或或磁隔離磁隔離。 磁隔離的元件通常是磁隔離的元件通常是脈沖變壓器脈沖變壓器晶閘管晶閘管 當脈沖較寬時，為避免鐵心飽和，常采用當脈沖較寬時，為避免鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制和解調(diào)高頻調(diào)制和解調(diào)的方法。的方法。 光隔離一般采用光隔離一般采用光耦合器光耦合器全控型器件全控型器件 光耦合器由光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內(nèi)。組成，封裝在一個

5、外殼內(nèi)。 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。 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 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation5/269.1.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路的分類驅(qū)動電路的分類 按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間按照驅(qū)動電路加在電力

6、電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為信號的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型和和電電壓驅(qū)動型壓驅(qū)動型兩類。兩類。 晶閘管的驅(qū)動電路常稱為晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路觸發(fā)電路。 驅(qū)動電路具體形式可為驅(qū)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(qū)動電路集成驅(qū)動電路。 為達到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開為達到參數(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(qū)動電路。發(fā)的集成驅(qū)動電路。Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Ele

7、ctric Engineering and Automation6/269.1.2 晶閘管的晶閘管的觸發(fā)電路觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4圖圖9-2理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（脈沖前沿上升時間（1 s）t1t3強脈沖寬度強脈沖寬度IM強脈沖幅值（強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度脈沖寬度I脈沖平頂幅值（脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT） 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 作用：產(chǎn)生符合要求的作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通。保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通。這里主要指這里主

8、要指放大、輸出電路放大、輸出電路。 晶閘管觸發(fā)電路還包括對其觸發(fā)時刻進晶閘管觸發(fā)電路還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的行控制的相位控制電路相位控制電路移相控制移相控制。 觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求 觸發(fā)脈沖的觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導通通，比如對感性和反電動勢負載的變流器，比如對感性和反電動勢負載的變流器應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度足夠的幅度，對戶外寒，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的大觸發(fā)電流的35倍，脈沖前沿的陡度也倍，脈沖前沿的陡

9、度也需增加，一般需達需增加，一般需達12A/ s。 觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。及與主電路的電氣隔離。 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation7/269.1.2 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)

10、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V1、V2構(gòu)成的構(gòu)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(gòu)和附屬電路構(gòu)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V1、V2由導由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放釋放其儲存的能量而設(shè)的。其儲存的能量而設(shè)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

11、附加其它電路環(huán)節(jié)。電路環(huán)節(jié)。 9.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路 互補對稱功放電路（互補對稱功放電路（OTL） 圖圖 采用雙電源的采用雙電源的GTR的驅(qū)動的驅(qū)動電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation9/269.1.3 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路圖圖9-8 電力電力MOSFET的一種驅(qū)動電路的一種驅(qū)動電路電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 電

12、力電力MOSFET和和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。是電壓驅(qū)動型器件。 為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻較小的輸出電阻。 使電力使電力MOSFET開通的開通的柵源極間柵源極間驅(qū)動電驅(qū)動電壓一般取壓一般取1015V，使，使IGBT開通的開通的柵射極柵射極間驅(qū)間驅(qū)動電壓一般取動電壓一般取15 20V。 關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般取取 -5 -15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。耗。 在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小可以減小寄生

13、振蕩寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。件電流額定值的增大而減小。 電力電力MOSFET 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；Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation10/269.2 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Collage of Ele

14、ctric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation11/269.2.1 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(nèi)因過電壓內(nèi)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(guān)操作引起的過電壓。：由分閘、合閘等開關(guān)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(nèi)因過電壓主要來自

15、電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)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(jié)束后，在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小反向電流急劇減小，會由，會由線路電感線路電感在在器件兩端感應(yīng)出過電壓。器件兩端感應(yīng)出過電壓。 關(guān)斷過電壓關(guān)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(guān)斷時，因關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低正向電流的迅速降低而由而由線路電感線路電感在器件在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。兩端感應(yīng)出的過電壓。 Collage of Electric Engin

16、eering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation12/26圖圖RC或者壓敏電阻吸收電路或者壓敏電阻吸收電路Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation13/26圖大容量裝置的整流式圖大容量裝置的整流式RC吸收吸收9.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護避雷器擊穿對地放電，防止雷電過電壓避雷器擊穿對地放電，防止雷電過電壓設(shè)置設(shè)置Co，抑制操作開關(guān)，抑制操

17、作開關(guān)S通、斷時過電壓通、斷時過電壓線路上并接線路上并接RC過電壓緩沖器過電壓緩沖器線路上并接壓敏電阻線路上并接壓敏電阻RV用緩沖器抑制開關(guān)管通、斷時的過電壓用緩沖器抑制開關(guān)管通、斷時的過電壓9.2.2 過電流保護過電流保護可同時采用多種過流可同時采用多種過流( (過載、短路過載、短路) )保護，各盡所能協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)可靠地選擇性保護保護，各盡所能協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)可靠地選擇性保護。電子保護：動作閾值高，延時小，封鎖脈沖，停機。電子保護：動作閾值高，延時小，封鎖脈沖，停機。過電流繼電器：過載時動作。過電流繼電器：過載時動作。快速熔斷器：既可作快速熔斷器：既可作短路短路保護又可作保護又可作過載過載保

18、護。保護。直流快速熔斷器：直流快速熔斷器：SCRSCR被觸發(fā)導通，燒斷熔斷器，切斷電路，被觸發(fā)導通，燒斷熔斷器，切斷電路，整定在電子電路動作整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護。之后實現(xiàn)保護。開關(guān)管設(shè)死區(qū)延時開通，防止直通。開關(guān)管設(shè)死區(qū)延時開通，防止直通。Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation16/269.2.3 緩沖電路緩沖電路緩沖電路（緩沖電路（Snubber Circuit）又稱為）又稱為吸收電路吸收電路。 其作用目的是抑制電力電子器件的其作用目的是

19、抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓尖峰內(nèi)因過電壓尖峰、du/dt或者或者過電過電流流和和di/dt，保護器件，減小器件的，保護器件，減小器件的開關(guān)損耗開關(guān)損耗。分類分類 分為分為關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路和和開通緩沖電路開通緩沖電路 關(guān)斷緩沖電路（關(guān)斷緩沖電路（RCD）：又稱為）：又稱為du/dt抑制電路抑制電路，用于吸收器件，用于吸收器件的的關(guān)斷過電壓和換相過電壓關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制，抑制du/dt，減小，減小關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗。 開通緩沖電路：又稱為開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時的抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。，

20、減小器件的開通損耗。 復合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起。復合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起。 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在其：緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電吸收電阻阻上。上。 饋能式緩沖電路饋能式緩沖電路 ：緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給：緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負載負載或電源或電源，也稱，也稱無損吸收電路無損吸收電路。 通常將通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將，而將開通緩沖電路開通緩沖電路區(qū)別叫做區(qū)別

21、叫做di/dt抑制電路抑制電路。 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation17/269.2.3 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抑制電路和抑制電路和充放電型充放電型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Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electri

22、c Engineering and Automation18/269.2.3 緩沖電路緩沖電路ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖圖9-15 關(guān)斷時的負載線關(guān)斷時的負載線圖圖9-16 另外兩種常用的緩沖電路另外兩種常用的緩沖電路a)RC吸收電路吸收電路b)放電阻止型放電阻止型RCD吸收電路吸收電路 關(guān)斷過程關(guān)斷過程 無緩沖電路時，無緩沖電路時，uCE迅速上升，負迅速上升，負載線從載線從A移動到移動到B，之后，之后iC才下降到漏電才下降到漏電流的大小，負載線隨之移動到流的大小，負載線隨之移動到C。 有緩沖電路時，由于有緩沖電路時，由于Cs的分流使的分流使iC在在uCE開始上升的同時就下降，

23、因此負開始上升的同時就下降，因此負載線經(jīng)過載線經(jīng)過D到達到達C。 另外兩種常用的緩沖電路形式另外兩種常用的緩沖電路形式 RC緩沖電路緩沖電路主要用于小容量器件，主要用于小容量器件，而而放電阻止型放電阻止型RCD緩沖電路緩沖電路用于中或大用于中或大容量器件。容量器件。 晶閘管在實際應(yīng)用中一般只承受晶閘管在實際應(yīng)用中一般只承受換換相過電壓相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓問題，關(guān)斷，沒有關(guān)斷過電壓問題，關(guān)斷時也沒有較大的時也沒有較大的du/dt，因此一般采用，因此一般采用RC吸收電路即可。吸收電路即可。 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 9.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管

24、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)9.3.1 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，當單個電力電子器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滿足要求時，往往需要件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件（裝置）串聯(lián)或并聯(lián)將電力電子器件（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求時，可以小于實際要求時，可以用兩

25、個以上同型號器件相串聯(lián)。用兩個以上同型號器件相串聯(lián)。 靜態(tài)不均壓問題靜態(tài)不均壓問題 當兩個當兩個SCR串聯(lián)下，串聯(lián)下， 同一漏電流同一漏電流IR所承受所承受的正向電壓不同。若外加電壓繼續(xù)升高，電壓高的正向電壓不同。若外加電壓繼續(xù)升高，電壓高的先導通，使得另一個立馬導通，失去控制作用。的先導通，使得另一個立馬導通，失去控制作用。反之亦然。反之亦然。 為達到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選用為達到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選用參數(shù)和特性參數(shù)和特性盡量一致的器件盡量一致的器件，此外可以，此外可以采用電阻均壓采用電阻均壓。 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)和特性的差異造成的不由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不

26、均壓問題。均壓問題。 為達到動態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇為達到動態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇動態(tài)參動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件數(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)并聯(lián)支路作動態(tài)均壓支路作動態(tài)均壓。 Rp的阻值應(yīng)比任的阻值應(yīng)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9.3.2 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，常用多個器件并大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯(lián)來承擔聯(lián)來承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)特性特性參數(shù)的差異而存在參數(shù)的差異而存在電流分配不均勻電流分配不均勻的問題的問題。 均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器件，此外還可以采用致的器件，此外還可以采用均流電抗器。均流電抗器。 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用采用先串后并先串后并的方法聯(lián)接。的方法聯(lián)接。 9.3.3 電力電力MOSFET的并