電力電子學(xué)電課11應(yīng)用

電力電子技術(shù)PowerElectronicsTechnologySpring2006電氣工程學(xué)院

陳洛忠Chenlzh@51687064----13(o)第十一章電力電子器件的應(yīng)用基礎(chǔ)本章內(nèi)容11.1晶閘管觸發(fā)電路11.2電力MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路11.3電力電子器件的串并聯(lián)11.4器件使用中的保護(hù)措施11.5電力電子器件的緩沖電路11.1晶閘管觸發(fā)電路一、概述電力電子裝置：主電路、控制電路主電路：用于電能變換控制電路：將給定控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為能滿足主電路開關(guān)器件要求的開關(guān)控制信號(hào)，以使主電路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能控制電路：開關(guān)控制邏輯信號(hào)發(fā)生電路（通常稱為控制電路）、功率放大電路（通常稱為驅(qū)動(dòng)電路）驅(qū)動(dòng)電路的作用功率放大、整形作用：將來自控制電路的邏輯信號(hào)放大、整形為適合驅(qū)動(dòng)電力電子器件的功率信號(hào)隔離作用：提供主電路與控制電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，如光隔離或磁隔離光隔離元件一般采用光耦合器磁隔離元件通常為脈沖變壓器晶閘管控制電路通常稱為晶閘管觸發(fā)電路或晶閘管移相觸發(fā)電路二、晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求要求觸發(fā)電路能產(chǎn)生滿足以下要求的觸發(fā)脈沖1、觸發(fā)脈沖形式：可以是寬脈沖、窄脈沖、脈沖列2、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率：要求觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流大于額定值，保證可靠觸發(fā)；但應(yīng)小于最大允許峰值。一般觸發(fā)電流取額定值的3~5倍3、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度：保證在觸發(fā)脈沖消失前陽極電流已大于擎住電流4、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的前沿陡度：以提高晶閘管導(dǎo)通速度，從而提高晶閘管承受的di/dt能力。要求觸發(fā)電壓前沿陡度>10V/us；觸發(fā)電流前沿陡度達(dá)到1~2A/us5、觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路電源電壓同步：使每個(gè)周期觸發(fā)脈沖都能在同一時(shí)刻出現(xiàn)，保證輸出電壓穩(wěn)定6、觸發(fā)脈沖移相范圍應(yīng)滿足電力電子裝置的要求三、晶閘管觸發(fā)電路的基本組成環(huán)節(jié)1、同步環(huán)節(jié)：提供觸發(fā)脈沖的參考時(shí)刻信號(hào)，因此所產(chǎn)生的信號(hào)必須與主電路的輸入電源同頻率，且要有固定的相位關(guān)系2、移相環(huán)節(jié)：產(chǎn)生能反映α角度的移相信號(hào)3、脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)：產(chǎn)生具有一定形式的觸發(fā)脈沖，如寬脈沖（脈沖列）、窄脈沖或雙窄脈沖4、脈沖分配環(huán)節(jié)：將一定形式的觸發(fā)脈沖按照主電路所要求的工作邏輯分配給各個(gè)晶閘管（以上環(huán)節(jié)構(gòu)成了開關(guān)控制邏輯信號(hào)發(fā)生電路，即控制電路。它可以由分立元件組成，也可以由微機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐方M成）5、功率放大環(huán)節(jié)：用于放大、整形和隔離四、常見的功放電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)

V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)11.2電力MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路一、概述電壓型開關(guān)器件的輸入端口是一個(gè)容抗網(wǎng)絡(luò)端口，需要開通、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電流，因此也需要驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電流的大小與柵極輸入電容有關(guān)電力MOSFET與IGBT的輸入特性基本相同，因此兩者的驅(qū)動(dòng)電路也基本相同。所不同的是IGBT的輸入電容較電力MOSFET的稍大，要求驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電流也稍大驅(qū)動(dòng)電路的形式直接驅(qū)動(dòng)（用于單管）隔離驅(qū)動(dòng)（變壓器隔離、光耦隔離）（1）直接驅(qū)動(dòng)電路：（2）脈沖變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)電路缺點(diǎn)：對(duì)脈沖寬度有限制隔離驅(qū)動(dòng)電路由脈沖變壓器構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路（3）光耦隔離的驅(qū)動(dòng)電路光耦隔離：最常用的隔離方式光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路（a）標(biāo)準(zhǔn)電路（b）改進(jìn)電路（3）光耦隔離的驅(qū)動(dòng)電路用555組成的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成分立元件驅(qū)動(dòng)電路專用驅(qū)動(dòng)模塊抗干擾能力強(qiáng)、保護(hù)功能完善、性能可靠集成化程度高、使用方便應(yīng)用普遍（１）富士公司IGBT驅(qū)動(dòng)模塊（２）東芝公司IGBT驅(qū)動(dòng)模塊二、設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路要考慮的主要因素柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE(UGS)柵極負(fù)偏電壓-UGE(-UGS)柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG隔離用光耦１、柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE(UGS)UGE對(duì)管子通態(tài)損耗和短路電流有影響：UGE↑→UCE↓→通態(tài)損耗↓、短路電流↑一般取UGE＝15V2、柵極負(fù)偏電壓-UGE(-UGS)加-UGE的主要原因：防止管子誤導(dǎo)通

管子在關(guān)斷期間將承受較大的dUCG/dt，可能會(huì)關(guān)不斷。加-UGE后可以提高關(guān)斷可靠性一般取負(fù)偏電壓為：-5V或-10V３、柵極驅(qū)動(dòng)電阻RGRG對(duì)管子動(dòng)態(tài)性能影響較大：RG

↓→管子開關(guān)速度↑、開關(guān)損耗↓ 關(guān)斷時(shí)管子承受的尖峰電壓↑ 開通時(shí)承受的尖峰電流↑

RG一般取3∽30歐，管子容量越大，RG應(yīng)越??；管子工作頻率越高，RG應(yīng)越?。础⒏綦x用光耦主要考慮快速和耐du/dt能力常用的隔離光耦有：TLP559、HCLP-4503、HCLP-4505５、柵射極電阻RGE和柵射極穩(wěn)壓管（１）RGE的作用：防止管子誤導(dǎo)通 在管子受到外界干擾時(shí)，集射極電壓有可能超過其閥值，引起管子誤導(dǎo)通，加RGE可阻止這一現(xiàn)象發(fā)生 RGE

↓→管子開通時(shí)間↑一般取RGE=(1000∽5000)RG（２）柵射極穩(wěn)壓管的作用：阻止短路電流形成正反饋 當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，Ic↑↑→柵射極產(chǎn)生尖峰電壓脈沖→Ic↑↑形成正反饋。加穩(wěn)壓管可阻止正反饋現(xiàn)象發(fā)生。一般取穩(wěn)壓值=UGE+1V11.3電力電子器件的串并聯(lián)

一、概述1、電力電子器件串并聯(lián)的目的擴(kuò)大裝置容量2、串并聯(lián)的要求當(dāng)器件的額定電壓小于實(shí)際要求時(shí)可以用多個(gè)同型號(hào)器件串聯(lián)，串聯(lián)使用時(shí)要求各器件承受的電壓相等當(dāng)器件的額定電流小于實(shí)際要求時(shí)可以用多個(gè)同型號(hào)器件并聯(lián)，并聯(lián)使用時(shí)要求各器件承受的電流相等3、串并聯(lián)帶來的問題（1）串聯(lián)器件的均壓?jiǎn)栴}串聯(lián)器件靜態(tài)特性不一致會(huì)造成串聯(lián)器件靜態(tài)不均壓，阻斷電阻大的管子承受較大的電壓串聯(lián)器件動(dòng)態(tài)特性不一致會(huì)造成串聯(lián)器件動(dòng)態(tài)不均壓不均壓的后果：承受正向電壓時(shí)，承受電壓高的器件首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用；承受反向電壓時(shí)，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿（2）并聯(lián)器件的均流問題并聯(lián)器件靜態(tài)特性不一致會(huì)造成并聯(lián)器件靜態(tài)不均流，通態(tài)壓降小的管子承受較的大電流并聯(lián)器件動(dòng)態(tài)特性不一致會(huì)造成并聯(lián)器件動(dòng)態(tài)不均流不均流的后果：承受電流大的器件首先因過流而損壞，然后使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電流也損壞二、晶閘管的串、并聯(lián)1、串聯(lián)晶閘管的均壓措施盡量選用特性一致的器件并接均壓電阻RP，使其中流過的電流遠(yuǎn)大于器件漏電流——靜態(tài)均壓；（RP若過大則起不到均壓效果，過小則會(huì)造成上RP損耗過大）

并接電容Cb、電阻Rb支路，利用電容電壓不能突變的特性減慢電壓的上升速度——?jiǎng)討B(tài)均壓（Rb用于防止晶閘管導(dǎo)通瞬間，電容Cb對(duì)晶閘管放電造成過大的di/dt）

采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間上的差異，達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓效果晶閘管的串聯(lián)運(yùn)行2、并聯(lián)晶閘管的均流措施

晶閘管的均流措施較多，不論采用哪種措施，首先應(yīng)盡量選用特性一致的器件串耦合電抗器具有動(dòng)態(tài)均流和靜態(tài)均流作用能限制di/dt的變化電抗器本身較笨重，接線也較復(fù)雜一般用于兩個(gè)晶閘管的并聯(lián)，多個(gè)晶閘管并聯(lián)時(shí)，串獨(dú)立電抗器晶閘管的并聯(lián)應(yīng)用2、并聯(lián)晶閘管的均流措施（續(xù)）串電阻靜態(tài)均流作用電阻損耗大用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流布線均流法：在大容量裝置中要盡量使各并聯(lián)支路電阻相等，自感和互感相等三、功率MOSFET的并聯(lián)靜態(tài)均流選用Ron比較接近的功率MOSFET使靜態(tài)電流均勻動(dòng)態(tài)均流選用開啟電壓UGSth、跨導(dǎo)gm、輸入電容Ciss和通態(tài)電阻Ron值相近的管子電路走線、布局盡量做到對(duì)稱有時(shí)可在源極回路中串入一個(gè)小電感

功率MOSFET的導(dǎo)通電阻Ron具有正溫度系數(shù)，它能使多個(gè)并聯(lián)的功率MOSFET自動(dòng)均流，因此一般情況下，多個(gè)功率MOSFET可以直接并聯(lián)使用，不需要采取均流措施四、IGBT的串、并聯(lián)串聯(lián)IGBT的均壓措施盡量選用特性一致的器件靜態(tài)均壓——在各IGBT集電極和發(fā)射極之間并聯(lián)阻值相等的電阻動(dòng)態(tài)均壓并聯(lián)IGBT的均流措施必須采用同等級(jí)的器件各IGBT的柵極均要接上推薦的柵極電阻RGIGBT之間的距離越近越好，發(fā)射極之間的接線要等距接線要盡量靠近各IGBT的引出端，要用銅排或偏條驅(qū)動(dòng)電路的輸出接線要盡量短，且要用屏蔽線或絞合線器件串、并小結(jié)1、電力電子器件串、并聯(lián)的目的2、串并聯(lián)帶來的問題：串聯(lián)帶來均壓?jiǎn)栴}；并聯(lián)帶來均流問題3、任何器件的串、并聯(lián)，首先要保證各器件的特性基本一致4、SCR串聯(lián)：需要解決均壓?jiǎn)栴}。并聯(lián)均壓電阻可以解決靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}，并聯(lián)阻容支路可以解決動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}4、SCR并聯(lián)：需要解決均流問題。串聯(lián)藕合電抗器或獨(dú)立電抗器既可以解決靜態(tài)均流問題，又可以解決動(dòng)態(tài)均流問題5、對(duì)SCR采用強(qiáng)脈沖觸發(fā)有助于動(dòng)態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均流6、MOSFET和IGBT的導(dǎo)通電阻Ron具有正溫度系數(shù)，本身具有一定的均流能力，因此一般不需要考慮均流問題，其均壓?jiǎn)栴}一般通過并聯(lián)均壓電阻來解決11.4器件使用中的保護(hù)措施

電力電子器件的保護(hù)包括過電壓保護(hù)過電流保護(hù)du/dt保護(hù)di/dt保護(hù)過熱保護(hù)過電壓產(chǎn)生的原因

外部原因操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起浪涌過電壓：雷擊等外來沖擊引起的過電壓內(nèi)部原因換相過電壓：器件恢復(fù)阻斷能力時(shí)，反向恢復(fù)電流急劇減小，因而在線路電感上產(chǎn)生過電壓。關(guān)斷過電壓：當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速減小，因而在線路電感上產(chǎn)生過電壓

注：換相過電壓和關(guān)斷過電壓也屬于操作過電壓，它們都是由電磁過程引起的過電壓，而浪涌過電壓則是有外部侵入的偶然性過電壓過電流產(chǎn)生的原因一、晶閘管的保護(hù)措施

常用保護(hù)措施：過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt限制、di/dt限制（1）過電壓保護(hù)

阻容吸收回路：能有效抑制操作過電壓，可接在電路交流側(cè)、直流側(cè)或并接在晶閘管陽極與陰極之間由硒堆及壓敏電阻等非線性元件造成吸收回路：能有效抑制浪涌過電壓，可接在變流裝置的進(jìn)線端（2）過電流保護(hù)快速熔斷器電流繼電器、過負(fù)荷繼電器、直流快速斷路器等快速熔斷器的接法快速熔斷器的接法（a）串聯(lián)接法（b）接交流側(cè)（c）接直流側(cè)（3）du/dt限制造成du/dt過大的原因：（1）由電網(wǎng)侵入的過電壓造成，（2）由晶閘管換相造成限制方法：在變流裝置的進(jìn)線端串電感和在晶閘管橋臂上串電感（4）di/dt限制造成di/dt過大的原因：（1）晶閘管導(dǎo)通時(shí)阻容保護(hù)電容向晶閘管放電（2）晶閘管換相限制方法：在晶閘管橋臂上串電感晶閘管的串聯(lián)運(yùn)行二、功率MOSFET的保護(hù)

常用的保護(hù)措施：（1）防止靜電擊穿（在測(cè)試、焊接、存放過程中）（2）過電壓保護(hù)：防止柵極開路工作、緩沖電路、主電路跳閘（2）過電流保護(hù)：檢測(cè)到電流異常時(shí)迅速撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)（4）過熱保護(hù)：利用溫度傳感器檢測(cè)管子的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時(shí)迅速撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)（5）du/dt限制：加緩沖電路三、IGBT的保護(hù)

常用的保護(hù)措施：（1）過電流保護(hù)：通過檢出的過電流信號(hào)迅速切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)（2）過電壓保護(hù)：防止柵極開路工作、緩沖電路、主電路跳閘（3）過熱保護(hù)：利用溫度傳感器檢測(cè)管子的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時(shí)迅速撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)（4）du/dt限制：加緩沖電路IGBT的過電流保護(hù)IGBT的過電流識(shí)別方法（檢測(cè)原理）：在正常工作時(shí)，IGBT的通態(tài)飽和電壓降Uon與集電極電流IC呈近似線性變化的關(guān)系，識(shí)別Uon的大小即可判斷IGBT集電極電流的大小IGBT的過電流保護(hù)原理和電路過電流保護(hù)要注意的問題保護(hù)時(shí)間（識(shí)別時(shí)間＋關(guān)斷時(shí)間）必須小于IGBT對(duì)短路過電流的允許承受時(shí)間識(shí)別時(shí)間：一般為10秒。檢測(cè)到過流后，先減小柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE，以延長(zhǎng)過電流的允許承受時(shí)間，當(dāng)10秒后過電流仍存在則關(guān)斷IGBT關(guān)斷方法：采用“慢速關(guān)斷”，正常情況下V3導(dǎo)通，檢測(cè)到真短路后V3截止，使放電速度減慢，慢速關(guān)斷過電流時(shí)若以正常速度關(guān)斷，則會(huì)因di／dt過大而產(chǎn)生很高的尖峰電壓短路過電流慢速切斷原理示意圖（a）慢速關(guān)斷電路（b）關(guān)斷過程11.5電力電子器件的緩沖電路

緩沖電路（Snubber