1-2電力電子開(kāi)關(guān)器件的輔助電路.ppt

1、第2章 電力電子開(kāi)關(guān)器件的輔助電路,要保證用于電力系統(tǒng)或電力設(shè)備主電路中的各種開(kāi)關(guān)器件在工作過(guò)程中的安全和可靠，必須針對(duì)器件的不同性能和容量設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助電路。包括：驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路和保護(hù)電路。性能優(yōu)良設(shè)計(jì)合理的輔助電路能使開(kāi)關(guān)器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減少開(kāi)關(guān)損耗，提高器件工作可靠性。 本章還介紹了電力電子開(kāi)關(guān)器件的串并聯(lián)技術(shù)和散熱技術(shù)，這些輔助技術(shù)手段對(duì)設(shè)備的運(yùn)行安全、運(yùn)行效率和可靠性都有著重要的意義。,教學(xué)要求： 1.掌握各種電力電子開(kāi)關(guān)器件的相關(guān)輔助電路設(shè)計(jì)方法； 2.了解電力電子開(kāi)關(guān)器件的串并聯(lián)技術(shù)； 3.掌握功率器件散熱設(shè)計(jì)方法。,2.1 電力電子開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路主

2、電路與控制電路之間的接口。,使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。 對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。,驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：,按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。 對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。 對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。,2.1.1 晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電路（電流驅(qū)動(dòng)型）,1. 晶閘管觸發(fā)電路的基本要求,（1）觸發(fā)信號(hào)通常采用脈沖信號(hào)。 （2）觸發(fā)脈沖要有足夠的觸發(fā)功率。 （3）觸發(fā)脈沖的移相范圍要滿足變流裝置的要

3、求。一般移相范圍180。 （4）觸發(fā)脈沖要有一定的寬度和陡度。觸發(fā)脈沖前沿陡度大于10V/s或800mA/s。 （5）觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓保持同步。,SCR導(dǎo)通必須的外界條件：陽(yáng)極加正向電壓，門極加正觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)SCR導(dǎo)通后，門極控制信號(hào)不再起作用，直到陽(yáng)極電壓減小或反向后，陽(yáng)極電流小于維持電流，晶閘管才自行關(guān)斷。因此，晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電路又稱為觸發(fā)電路。,觸發(fā)電路的類型,晶閘管門極觸發(fā)電路有移相控制和垂直控制兩種方法：,移相控制通過(guò)改變控制脈沖產(chǎn)生的時(shí)間來(lái)改變晶閘管 的導(dǎo)通角。,垂直控制將移相信號(hào)和控制信號(hào)疊加，通過(guò)改變控制信號(hào)的大小來(lái)改變晶閘管導(dǎo)通角。,觸發(fā)電路中觸發(fā)脈沖可以用模擬電路

4、或數(shù)字電路來(lái)產(chǎn)生，目 前應(yīng)用廣泛的：,專用集成觸發(fā)電路模擬式觸發(fā)電路的單片集成，具有移相線性度好，性能穩(wěn)定可靠，體積小，溫漂小等優(yōu)點(diǎn)。,數(shù)字式觸發(fā)電路將數(shù)字邏輯電路和微處理器用于產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖，其硬件電路大大簡(jiǎn)化，觸發(fā)脈沖一致性好，觸發(fā)角的分辨率高，并可提高觸發(fā)器的靈活性和穩(wěn)定性。,集成化觸發(fā)電路,集成化觸發(fā)器體積小、性能好、功耗低、可靠性高，目前國(guó)內(nèi)常用的有KC 和KJ兩個(gè)系列。,例如，KC04集成觸發(fā)器為16腳雙列直插式塑封芯片。,與鋸齒波同步觸發(fā) 電路相似，由同步單 元、鋸齒波形成單元、 移相單元、脈沖形成 單元和功率放大單元 組成。,由一個(gè)KJ04構(gòu)成的 觸發(fā)電路可輸出兩個(gè) 相位差1

5、80的觸發(fā) 脈沖，用來(lái)控制晶閘 管變流裝置的上下各一只晶閘管。,KC04工作各點(diǎn)波形,在UT和-15V電源作用下同步單元產(chǎn)生同步脈沖。,UT1低電平作為同步電壓的過(guò)零標(biāo)志。,鋸齒波發(fā)生單元由內(nèi)部三極管和外部R4、R5、C2和-15V電源組成，在同步脈沖作用下，產(chǎn)生鋸齒波電壓U4。,鋸齒波電壓經(jīng)4腳輸出，通過(guò)電阻R6、R7、R8和外接的偏移電壓UP、移相控制電壓UK疊加后由9腳送入移相控制單元。,外接阻容元件R9、C3與內(nèi)部三極管組成脈沖形成單元電路，產(chǎn)生一個(gè)寬度固定的移相脈沖，其脈沖寬度由時(shí)間常數(shù)R9C3決定。,功率放大單元實(shí)現(xiàn)脈沖分選并進(jìn)行功率放大，在器件的1腳和15腳輸出相位差180o的兩

6、個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖。,在多數(shù)晶閘管變流裝置中，所產(chǎn)生的脈沖要經(jīng)光耦或變壓器隔離后加到晶閘管門極和陰極之間。,圖(a)為輸入信號(hào)經(jīng)光耦隔離后的驅(qū)動(dòng)電路，光耦兩側(cè)為相互隔離的電源。圖(b)為脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路，它不但有隔離作用，也能實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。,數(shù)字式觸發(fā)電路 以數(shù)字邏輯電路或微處理器為核心的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路。,目前多用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，原理如圖。,2.1.2 門極可關(guān)斷晶閘管門極驅(qū)動(dòng)電路（電流驅(qū)動(dòng)型）,GTO的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似。,GTO關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。,GTO的門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)關(guān)鍵在于關(guān)斷。,1. GTO門極驅(qū)動(dòng)特性,（1）GTO門極驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu),GTO開(kāi)通時(shí)，內(nèi)部有正反饋過(guò)程，開(kāi)通

7、驅(qū)動(dòng)功率較?。?在關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷增益小，門極關(guān)斷負(fù)電流較大，關(guān)斷電路 功率很大；,門極反偏電路為門極提供反偏電壓，能起到抗干擾，保證GTO可靠阻斷，提高其靜態(tài)du/dt耐量的作用。,（2）GTO門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,IGF為開(kāi)通驅(qū)動(dòng)門極正向直流電流，IGRM為關(guān)斷驅(qū)動(dòng)門極反向最大電流。,門極開(kāi)通信號(hào)電流波形和門極關(guān)斷信號(hào)電流波形均要求前沿較陡、幅度較高、寬度要夠、后沿要緩。,門極關(guān)斷電流信號(hào)脈沖電流的幅度較大，IGRM一般為(1/3-1/5)IATO，與GTO關(guān)斷增益有關(guān)。,GTO門極驅(qū)動(dòng)類型,直接驅(qū)動(dòng)將驅(qū)動(dòng)級(jí)的 功率放大電路與GTO門極 直接相連，信號(hào)通過(guò)光耦或 其它隔離器件送入驅(qū)動(dòng)電路， 實(shí)

8、現(xiàn)GTO主電路和控制電路的電隔離。,優(yōu)點(diǎn)：輸出驅(qū)動(dòng)脈沖參數(shù)調(diào)整方便，脈沖波形好，不易產(chǎn)生 門極振蕩。,缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路必須有獨(dú)立的與控制系統(tǒng)隔離的工作電源，功率放大元件電流大，功耗大，效率低。,間接驅(qū)動(dòng)將驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)脈沖變壓器與GTO門極相連。,優(yōu)點(diǎn)：不需要獨(dú)立的電源，利用脈沖變壓器的阻抗配合，減小驅(qū)動(dòng)電路中功放元件的電流，同時(shí)脈沖變壓器還能使GTO主電路與門極控制電路電隔離。,缺點(diǎn)：門極脈沖波形前沿陡度差，前后沿有電壓、電流寄生振蕩，造成GTO開(kāi)通、關(guān)斷不可靠。,GTO門極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例,圖為脈沖變壓器隔離的GTO門極間接驅(qū)動(dòng)開(kāi)通關(guān)斷電路。,開(kāi)通控制電路在開(kāi)通觸發(fā)信號(hào)作用下使晶體管V1導(dǎo)通，在脈

9、沖變壓器T1副邊產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)VD2二極管和門極串聯(lián)電阻RG1觸發(fā)GTO導(dǎo)通。,在關(guān)斷信號(hào)作用下，V2導(dǎo)通，在脈沖變壓器T2副邊產(chǎn)生反向的感應(yīng)電壓，觸發(fā)晶閘管VT導(dǎo)通，給GTO門極施加反向電壓，強(qiáng)迫GTO關(guān)斷。,2.1.3 電力晶體管 基極驅(qū)動(dòng)電路 （電流驅(qū)動(dòng)全控型）,基極驅(qū)動(dòng)電路對(duì) 器件工作時(shí)集電極電 壓上升率du/dt、集 電極電流上升率di/dt、 飽和壓降和開(kāi)關(guān)損耗 等有著直接影響。,過(guò)驅(qū)動(dòng)可以降低飽和 壓降，減小開(kāi)通損耗， 但對(duì)關(guān)斷不利，使關(guān) 斷時(shí)間延長(zhǎng)，損耗增大。,理想基極電流波形,GTR開(kāi)通時(shí),基極驅(qū)動(dòng)電流前沿的短時(shí) 過(guò)沖，對(duì)加速開(kāi)通有利，但導(dǎo) 通后應(yīng)使其工作于準(zhǔn)飽和狀態(tài)， 以

10、減少關(guān)斷時(shí)載流子的復(fù)合時(shí)間。,關(guān)斷時(shí),提供瞬時(shí)的反向基極電流能加速關(guān)斷過(guò)程。關(guān)斷后，發(fā)射結(jié)維持一定的負(fù)偏壓可以防止噪聲信號(hào)引起的誤觸發(fā)，提高GTR的du/dt耐量。,基極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原則,為使GTR開(kāi)通時(shí)工作在飽和狀態(tài)，其基極驅(qū)動(dòng)電流IB與集電極最大電流ICmax滿足以下關(guān)系：,GTR基極驅(qū)動(dòng)電路,GTR基極驅(qū)動(dòng)電路種類很多，有直接驅(qū)動(dòng)、光耦或脈沖變壓器隔離后間接驅(qū)動(dòng)兩類。,按驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成形式可分為分立元件驅(qū)動(dòng)電路、混合微膜組件驅(qū)動(dòng)電路和專用集成驅(qū)動(dòng)電路。,（1）GTR基極隔離驅(qū)動(dòng)電路,圖中VD1、VD2、VD3構(gòu)成抗飽和電路，當(dāng)GTR集電極電壓低時(shí)，VD1導(dǎo)通，分走部分基極電流，使GTR工

11、作在臨界飽和狀態(tài)。,驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)光耦隔離后送入功率放大驅(qū)動(dòng)電路，功放采用推拉式互補(bǔ)輸出。,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平時(shí) 光耦導(dǎo)通，正電源+UCC經(jīng)R3、R5使V1、V2導(dǎo)通，經(jīng)R8、V2為GTR提供正向基極電流，使GTR導(dǎo)通。,驅(qū)動(dòng)信號(hào)低電平時(shí) V1、V2截止，V3經(jīng)R7、-UCC導(dǎo)通，將發(fā)射結(jié)反偏，提供反向驅(qū)動(dòng)電流使GTR迅速截止。,（2）集成基極驅(qū)動(dòng)電路,集成基極驅(qū)動(dòng)電路不但驅(qū)動(dòng)電流波形好，而且還有過(guò)流保護(hù)、電源電壓監(jiān)測(cè)以及過(guò)熱保護(hù)等多種保護(hù)功能。,UAA4002內(nèi)部以邏輯處理器為核心，輸入接口通過(guò)SE端設(shè)置，可以接收電平和脈沖兩種信號(hào)。,輸出接口可以提供+0.5A和-3A的驅(qū)動(dòng)電流，該電流可通過(guò)外接

12、二極管檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，還可根據(jù)需要外接晶體管擴(kuò)大輸出能力。,該芯片保護(hù)功能強(qiáng)大，包括集電極電流過(guò)流保護(hù)、抗飽和、導(dǎo)通時(shí)間間隔控制、電源電壓監(jiān)測(cè)、延時(shí)功能和熱保護(hù)功能。,例如法國(guó)THOMSON公司的UAA4002,2.1.4 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路（電壓驅(qū)動(dòng)型）,功率MOSFET為單極型電壓控制器件，輸入阻抗很高。驅(qū)動(dòng)只需適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)，驅(qū)動(dòng)電流很小，因此驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，功耗很低。,1. 功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則,柵極開(kāi)通關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程中需要提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流；,應(yīng)按其容量大小選擇驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻； 為了使功率MOSFET可靠飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓，并在導(dǎo)通過(guò)程

13、中保持高電壓； 為了防止誤導(dǎo)通，提高du/dt耐量，在管子截止時(shí)最好能提供負(fù)的柵源電壓。,功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電流估算,設(shè)功率MOSFET柵源極間電容CGS，柵漏極間電容CGD，器件飽和導(dǎo)通時(shí)柵源電壓uGS，器件阻斷時(shí)漏極電壓uDS 。,要求器件開(kāi)通時(shí)間為ts時(shí)，則開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流為：,要求器件關(guān)斷時(shí)間ts為時(shí)，則關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電流為：,功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路,按驅(qū)動(dòng)電路和器件連接方式分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩類。,按驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成有分立元件驅(qū)動(dòng)電路和集成驅(qū)動(dòng)電路。,（1）雙電源光耦隔離直接驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平經(jīng)光耦后傳入直接驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)比較器整形輸出低電平，則V2截止，V1導(dǎo)通，+UCC經(jīng)

14、柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG對(duì)功率MOSFET柵極電容充電，使其導(dǎo)通。,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，比較器輸出高電平使V2導(dǎo)通，V1截止，柵極電容經(jīng)驅(qū)動(dòng)電阻RG和二極管對(duì)-UCC放電，使功率MOSFET阻斷。,功率MOSFET柵極并聯(lián)電阻R可以提高管子du/dt耐量，驅(qū)動(dòng)信號(hào)引出線應(yīng)盡量短，并采用雙絞線方式。,（2）集成驅(qū)動(dòng)器M57918L,集成驅(qū)動(dòng)器M57918L是一種混合集成驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部由自帶光電耦合器的輸入級(jí)，MOSFET中間放大級(jí)，功放輸出級(jí)電路構(gòu)成。,2.1.5 絕緣柵雙極型晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電路（電壓驅(qū)動(dòng)型）,多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器抗干擾能力強(qiáng)，速度快， 保護(hù)功能完善。,內(nèi)部主要由快速光耦隔離、放大

15、電路、功放輸出電路、過(guò)流保護(hù)電路和5V基準(zhǔn)電壓源幾部分組成。,以日本富士公司的EXB系列為例,只需外部提供+20V電源，內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生-5V偏壓，通過(guò)外接快速二極管VD可實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)后內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)慢速關(guān)斷功能，過(guò)流信號(hào)也可通過(guò)外接光電耦合器送回控制電路。,2.2 電力電子開(kāi)關(guān)器件的緩沖電路,2.2.1 緩沖電路的作用和種類,電力電子開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)流過(guò)電流很大，阻斷時(shí)承受的電壓很高。在電力電子電路中附加各種緩沖電路，可以減小各種應(yīng)力的影響，可避免器件二次擊穿，抑制電磁干擾，提高器件工作的安全可靠性。,按照緩沖電路所起的作用不同，緩沖電路可以分為開(kāi)通緩沖電路和關(guān)斷緩沖電路。,開(kāi)通緩沖

16、電路可以在器件主電路中串入電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要防止器件開(kāi)通時(shí)di/dt過(guò)大而損壞，也稱為串聯(lián)緩沖電路。,關(guān)斷緩沖電路主要用來(lái)防止器件關(guān)斷時(shí)du/dt過(guò)高引起的器件擊穿和誤觸發(fā)，通常將RC網(wǎng)絡(luò)或RCD網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)在器件主電極兩端，也稱為并聯(lián)緩沖電路。,2.2.2 門極可關(guān)斷晶閘管的緩沖電路,GTO為全控型器件，工作頻率比SCR高很多。其緩沖電路不僅要起抑制di/dt和du/dt的作用，同時(shí)還要能夠減小開(kāi)通關(guān)斷損耗，特別是在關(guān)斷時(shí)要起到抑制重加du/dt，防止誤觸發(fā)的作用。,1. 緩沖電路的工作原理,開(kāi)通緩沖電路,關(guān)斷緩沖電路,緩沖電路參數(shù)估算,（1）緩沖電感LK。緩沖電感LK與管子開(kāi)通時(shí)允許承受的di/

17、dt參數(shù)和直流電源電壓Ud有關(guān)，表示為：,（2）緩沖電容CS。緩沖電容CS與主電路分布電感LP和關(guān)斷時(shí)陽(yáng)極能承受的電壓沖擊U和陽(yáng)極電流IA有關(guān)，其大小可由下式求得：,（3）緩沖電阻RS。緩沖電阻RS的作用是限制器件開(kāi)通時(shí)緩沖電容的放電電流，但要保證在管子導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)將緩沖電容積累的電荷釋放干凈。其值可由下式估算：,緩沖電阻RS上的功耗與其阻值大小無(wú)關(guān)，其功率損耗可由下 式表示：,（4）阻尼電阻RK 。阻尼電阻RK的作用是在器件關(guān)斷時(shí)，將儲(chǔ)存在緩沖電感LK中的磁場(chǎng)能消耗掉，其值通常小于緩沖電阻RS，由選定的阻尼系數(shù)近似估算：,阻尼電阻RK上消耗的功率為：,緩沖電路的安裝工藝,（1）RS、CS、VD

18、S關(guān)斷緩沖電路應(yīng)盡量靠近器件的主電極，縮短連接導(dǎo)線，減小引線電感降低尖峰電壓Up。,（2）二極管VDS應(yīng)選用快速二極管，電阻RS宜用無(wú)感電阻，電容CS應(yīng)選用無(wú)感電容。,（3）安裝時(shí)，不應(yīng)將電容CS置于電阻RS上方，以免工作時(shí)電阻發(fā)熱會(huì)影響電容。,（4）緩沖電路元件焊接必須可靠，避免工作時(shí)發(fā)熱引起的脫焊，造成開(kāi)關(guān)元件的損壞。,2.2.3 電力晶體管的緩沖電路,電力晶體管GTR安全工作區(qū)較小，存在二次擊穿現(xiàn)象。,其緩沖電路同樣要起到抑制di/dt和du/dt，改變器件的開(kāi)關(guān)軌跡，減小開(kāi)關(guān)損耗的作用。,圖（a）中電感LK起開(kāi)通緩沖作用，用來(lái)限制GTR開(kāi)通時(shí)di/dt，減小開(kāi)通損耗。,電容CS和快速二

19、極管DS組成關(guān)斷緩沖電路，限制GTR關(guān)斷時(shí)集電極電壓上升率du/dt，減小關(guān)斷損耗。,電阻RS提供緩 沖電容的放電回 路。,由圖（b）看出， 緩沖電路使電壓 電流不會(huì)出現(xiàn)同 時(shí)達(dá)到最大值的 情況，降低了開(kāi) 通關(guān)斷瞬時(shí)功耗， 避免器件出現(xiàn)二 次擊穿，可保證GTR工作在安全區(qū)內(nèi)。,2.2.4 功率MOSFET及IGBT緩沖電路,功率MOSFET及IGBT單管緩沖電路結(jié) 構(gòu)如圖，緩沖電路工作原理與GTO、GTR 緩沖電路原理相同。,2.3 電力電子開(kāi)關(guān)器件的保護(hù)電路,2.3.1 電力電子開(kāi)關(guān)器件過(guò)電壓保護(hù),采用緩沖電路能抑制動(dòng)態(tài)過(guò)程中的過(guò)電壓和過(guò)電流，減小開(kāi)關(guān)損耗。但穩(wěn)態(tài)時(shí)的過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)損耗同

20、樣影響開(kāi)關(guān)元件的安全運(yùn)行。,1. 產(chǎn)生過(guò)電壓的原因,（1）雷擊、系統(tǒng)主電源分合閘和高壓斷路器動(dòng)作引起的沖擊電壓，也稱浪涌電壓，其持續(xù)時(shí)間一般在幾微秒到幾毫秒。,（2）變流裝置輸出側(cè)切斷大的感性負(fù)載或在大電流下切斷，引起輸出側(cè)的過(guò)電壓。,（3）電力電子器件換相時(shí)，突變的電流因線路電感和電容的共同作用引起器件兩端過(guò)電壓。,2. 過(guò)電壓的保護(hù),（1）緩沖吸收回路用于吸收頻 率較高，持續(xù)時(shí)間很短的過(guò)電壓。,如在器件主電極上安裝緩沖電路，或在變壓器二次側(cè)并聯(lián)RC吸收回路。,（2）穩(wěn)壓元件吸收回路 將穩(wěn)壓管、硒堆或壓敏電 阻并聯(lián)在變流裝置進(jìn)線和出線端，利 用其擊穿后電流大的特點(diǎn)消耗沖擊能 量。,電壓降低后

21、，穩(wěn)壓元件自動(dòng)恢復(fù)高阻狀態(tài)。,2.3.2 電力電子開(kāi)關(guān)器件過(guò)電流保護(hù),1. 產(chǎn)生過(guò)電流的原因過(guò)電流可以分為過(guò)載和短路兩種情況。,過(guò)載的主要原因：負(fù)載過(guò)載及交流電源電壓過(guò)高、過(guò)低或缺相。,短路過(guò)流的主要原因：,（1）變流裝置中開(kāi)關(guān)器件損壞、輸出端線間短路和輸出 端對(duì)地短路。,（2）驅(qū)動(dòng)電路和控制系統(tǒng)故障引起的驅(qū)動(dòng)信號(hào)混亂，使,（3）過(guò)電壓引起的開(kāi)關(guān)器件擊穿造成的電路內(nèi)部短路。,開(kāi)關(guān)器件一般允許過(guò)載時(shí)間較長(zhǎng)（毫秒級(jí)）。短路過(guò)流允許時(shí)間很短（微秒級(jí)）。,變流裝置主電路橋臂直通短路。,2. 過(guò)電流保護(hù)的常用方法,電力電子開(kāi)關(guān)器件體積小，熱容量小，過(guò)電流能力通常較差，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，器件損耗增大使結(jié)溫迅

22、速升高，因此過(guò)電流的保護(hù)應(yīng)從熱保護(hù)和電保護(hù)兩方面考慮。,開(kāi)關(guān)器件的過(guò)熱保護(hù)可以利用溫度傳感器檢測(cè)器件外殼溫度，當(dāng)過(guò)溫時(shí)封鎖器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)或使主電路跳閘來(lái)實(shí)現(xiàn)。,這種方法適用于過(guò)載水平較低的長(zhǎng)期過(guò)流情況，對(duì)短路過(guò)流幾乎沒(méi)有作用。,開(kāi)關(guān)器件的電保護(hù)通過(guò)檢測(cè)過(guò)流信號(hào)直接封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖或使主電路跳閘。,這種保護(hù)方法反應(yīng)時(shí)間最短，尤其適用于工作速度較高的開(kāi)關(guān)器件。,電力電子開(kāi)關(guān)器件的保護(hù)還可分為單個(gè)器件保護(hù)和變流裝置保護(hù)兩種方法。,3. 電力電子開(kāi)關(guān)器件的過(guò)流保護(hù)方法,（1）狀態(tài)識(shí)別過(guò)電流保護(hù)法 通過(guò)識(shí)別電力電子開(kāi)關(guān)器件運(yùn)行中的參數(shù)狀態(tài)，是判斷器件是 否過(guò)流的最有效方法。,通態(tài)壓降識(shí)別法：各種器件主要用于識(shí)

23、別的參數(shù)是通態(tài) 壓降,這種方法對(duì)大電流下開(kāi)關(guān)器件的短路保護(hù)具有通用性。,缺點(diǎn)：存在“保護(hù)盲區(qū)”，即在器件開(kāi)通的瞬間保護(hù)電路不能動(dòng)作，只有器件開(kāi)通幾微秒后，保護(hù)電路才投入工作，造成器件短路開(kāi)通時(shí)，電路靈敏度低。,注意,SCR不具有關(guān)斷能力，而GTO過(guò)流后門極負(fù)脈沖也不能將其關(guān)斷，因此通態(tài)壓降識(shí)別法只能用來(lái)做SCR和GTO的過(guò)流檢測(cè)，而不能像GTR、功率MOSFET和IGBT那樣用門極信號(hào)進(jìn)行關(guān)斷。,圖(a) 中，在大電流下通態(tài)飽和壓降UCE和集電極電流IC近 似呈線性關(guān)系，識(shí)別UCE的大小即可判斷其集電極電流的大小。,圖(b)為EXB841IGBT專用驅(qū)動(dòng)保護(hù)原理電路,過(guò)電流保護(hù)電路,驅(qū)動(dòng)模塊腳

24、外接快速二極管VD與IGBT集電極相連，通過(guò)檢測(cè)UCE電壓的高低來(lái)判斷是否短路過(guò)流。,基極電壓識(shí)別法,當(dāng)GTR短路下開(kāi)通時(shí)，監(jiān)測(cè)基極電壓比監(jiān)測(cè)集電極電壓效果要好，更容易快速確認(rèn)故障。,如圖 (a)開(kāi)關(guān)器件GTR的基極電壓UBE在集電極電流IC較小時(shí)變換很快。,圖（b）中，UBE隨IC的增大而升高，當(dāng)大于設(shè)定的參考電壓UR時(shí)，比較器輸出低電平使功放電路中V2截止，V3導(dǎo)通，關(guān)斷GTR。,基極電壓識(shí)別法的缺點(diǎn)：在輕微過(guò)載時(shí)，靈敏度差。,（2）橋臂互鎖保護(hù)法,主要用于橋式逆變器中一個(gè)橋臂的上下兩只開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng) 信號(hào)的互鎖。,可以解決由于驅(qū)動(dòng)脈沖死區(qū)時(shí)間過(guò)短、關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)失誤和開(kāi)關(guān)器件損壞所

25、造成的橋臂直通問(wèn)題。,互鎖保護(hù)的核心是 要檢測(cè)出上下兩只開(kāi) 關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷 情況，當(dāng)一只器件關(guān)斷時(shí)，另外一只才可以觸發(fā)導(dǎo)通。,當(dāng)一個(gè)橋臂上管子有電流時(shí)，通過(guò)邏輯電路封鎖另一橋臂管子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證每一時(shí)刻只有一只管子導(dǎo)通。,采用橋臂互鎖保護(hù)法可以提高系統(tǒng)可靠性，還可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高其工作速度。,（3）LEM模塊檢測(cè)保護(hù)法,LEM模塊是一種磁場(chǎng)平衡式電壓、電流傳感器，也稱霍爾元件。 能夠檢測(cè)直流、交流和脈沖形式的電壓或電流信號(hào)，其二次側(cè)輸出有電壓輸出型和電流輸出型兩種。 LEM模塊線性度好，安裝方便，與被測(cè)電路絕緣，是目前變流裝置中常用的電流和電壓檢測(cè)元件。,LEM模塊內(nèi)部電路主要

26、由一次側(cè)電路、聚磁環(huán)、霍爾傳感器、二次繞組和放大電路等組成。,圖（b）LEM模塊電流檢測(cè)的一種使用方法。,優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)速度快，且與主電路實(shí)現(xiàn)電隔離。,（a）,（b）,2.3.3 變流裝置的過(guò)電流保護(hù),1. 快速熔斷器保護(hù)法,開(kāi)關(guān)元件SCR、GTO有較強(qiáng)的浪涌能力，允許短路時(shí)間在毫秒級(jí)，其變流裝置在一定條件下可用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。,2. 快速過(guò)流開(kāi)關(guān)保護(hù)法,快速熔斷器是一種一次性使用保護(hù)元件，它的頻繁動(dòng)作將增加系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。一般可以在快速熔斷器保護(hù)動(dòng)作之前設(shè)置其它的過(guò)電流保護(hù)方法。通過(guò)檢測(cè)變流裝置電流信號(hào)，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)置的保護(hù)電流值時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，切斷輸入和輸出回路。,3. 撬杠保護(hù)法,由于GTR

27、、功率MOSFET和IGBT等器件允許短路時(shí)間一般在微秒級(jí)，動(dòng)作時(shí)間在毫秒級(jí)的快速過(guò)流開(kāi)關(guān)和快速熔斷,器很難對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。撬杠保護(hù)法是常用于GTR、GTO和IGBT中大容量逆變器的非熔斷保護(hù)方法。,快速熔斷器保護(hù)法、快速過(guò)流開(kāi)關(guān)保護(hù)法和撬杠保護(hù)法在使用中可以相互結(jié)合，通過(guò)設(shè)定不同的保護(hù)動(dòng)作級(jí)別實(shí)現(xiàn)分層次保護(hù)。,2.3.4 電力電子開(kāi)關(guān)器件使用中的門極保護(hù),當(dāng)開(kāi)關(guān)器件發(fā)生過(guò)流損壞后，高壓進(jìn)入門極驅(qū)動(dòng)電路，會(huì)引起門極控制低壓電路的損壞，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)電路可以起到保護(hù)門極電路的作用。,將快速熔斷器串連在門極 驅(qū)動(dòng)電路輸出端與功率器件 控制極之間，當(dāng)過(guò)電流時(shí)，門極電路能盡快與器件控制極斷開(kāi)；,在門

28、極電路輸出端并聯(lián)雙向穩(wěn)壓二極管，將門極電壓鉗位在安全電壓范圍以內(nèi)。,2.4.1 電力電子開(kāi)關(guān)器件的串聯(lián),目的：當(dāng)單個(gè)器件的額定電壓達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用要求時(shí)，可以串聯(lián)。,問(wèn)題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻。,動(dòng)態(tài)不均壓：由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。,靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過(guò)的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等。,1. 靜態(tài)均壓,靜態(tài)均壓措施： 選擇特性和參數(shù)一致的同型號(hào)器件 采用電阻均壓，R的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。,（a）,（b）,問(wèn)題：圖（a）為同一型號(hào)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件阻斷狀態(tài)下的主電極伏安特性曲線，器件串聯(lián)流過(guò)同一

29、電流時(shí)，兩個(gè)器件所承受的電壓U1和U2差別很大，存在嚴(yán)重的電壓不均現(xiàn)象。,解決：圖（b）在串聯(lián)器件上并聯(lián)一定數(shù)值的電阻R，當(dāng)均壓電阻R遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)器件阻斷電阻時(shí)，串聯(lián)元件電壓由電阻分壓決定，只要電阻R的阻值相同，各器件上承受的電壓相同，起到均衡電壓的作用。,電阻R的阻值越小，均壓效果越好，但電阻的功率也越大，選擇電阻R應(yīng)從阻值和功耗兩方面同時(shí)考慮。,動(dòng)態(tài)均壓,動(dòng)態(tài)均壓措施：,采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可 以顯著減小器件開(kāi)通時(shí)間 的差異。,在串聯(lián)支路引入電感L， 串聯(lián)的器件上并聯(lián)RC網(wǎng) 絡(luò)或RCD網(wǎng)絡(luò)。,選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡 量一致的器件。,可以采用如圖所示電路。,2.4.2 電力電子開(kāi)關(guān)器件的并聯(lián),目的

30、：由于額定電流達(dá)不到實(shí)際使用要求，可以并聯(lián)。但有時(shí)為了減小di/dt和開(kāi)關(guān)損耗，也可將同型號(hào)開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)使用。,問(wèn)題：受器件通態(tài)電壓、通態(tài)電阻、開(kāi)通關(guān)斷延遲時(shí)間和電路結(jié)構(gòu)的影響，開(kāi)關(guān)器件工作中存在著電流分配不均的問(wèn)題。使用中要解決靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均流的問(wèn)題。,靜態(tài)均流各并聯(lián)元件導(dǎo)通時(shí)，電流分配的均衡問(wèn)題， 主要受器件通態(tài)伏安特性的影響。,器件并聯(lián)時(shí)，其通態(tài)壓降一致，但由于伏安特性的差別，通態(tài)電阻不同，使流過(guò)器件的電流不一樣。通態(tài)電阻越小，流過(guò)的電流越大，就有可能造成器件過(guò)流損壞。,靜態(tài)均流措施： 首先要選用特性和參數(shù)相近的同型號(hào)開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)。,動(dòng)態(tài)均流器件開(kāi)通、關(guān)斷及發(fā)生過(guò)載時(shí)并聯(lián)器件之間的均流問(wèn)題

31、。,常用串聯(lián)電阻、串聯(lián)電抗器和串聯(lián)耦合電抗器等方法，如圖。,靜態(tài)均流措施： 在各開(kāi)關(guān)器件支路中串聯(lián)均流電抗器，如上圖（b）。 采用圖 (c)所示的串聯(lián)耦合電抗器均流方法，可提高器件導(dǎo)通期間的均流效果。 采用門極強(qiáng)觸發(fā)，縮短器件開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間，也是解決動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題的一種輔助方法。,電路結(jié)構(gòu)對(duì)并聯(lián)均流的影響在變流裝置需要同時(shí)采取器件串聯(lián)和并聯(lián)時(shí)、通常采用先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方法。,其次可以采用強(qiáng)迫均流法使并聯(lián)器件電流達(dá)到均衡。,2.4.3 電力電子開(kāi)關(guān)器件串并聯(lián)運(yùn)行特點(diǎn),1. GTO串并聯(lián)運(yùn)行特點(diǎn),與SCR不同，GTO通常采用RCD緩沖 電路。,在GTO動(dòng)態(tài)均壓過(guò)程中，由于失配電壓中沒(méi)有了原來(lái)并聯(lián)均

32、壓電阻上的電壓突變分量，開(kāi)關(guān)過(guò)程中，均壓效果比SCR要好，失配電壓較小。緩沖電容越大，開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間越小，動(dòng)態(tài)均壓效果越好。,GTO串聯(lián)運(yùn)行時(shí),電感L為動(dòng)態(tài)均壓電感，R11R22既是靜態(tài)均壓電阻，同時(shí)又是動(dòng)態(tài)緩沖電阻。,GTO并聯(lián)運(yùn)行時(shí),與SCR一樣，可以采用強(qiáng)迫均流方法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均流。,針對(duì)GTO自關(guān)斷快速的特點(diǎn)，并聯(lián)均流要注意以下幾點(diǎn)：,（1）GTO并聯(lián)支路中電流不能超過(guò)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流限制，否則門極無(wú)法關(guān)斷。,（2）GTO并聯(lián)既要均流，又要均熱。其多元集成結(jié)構(gòu)要求開(kāi)關(guān)損耗均衡分布，否則由于局部過(guò)熱，損壞器件。,（3）GTO的快速大功率特點(diǎn)要求其并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，陰極連線等長(zhǎng)且越短越好

33、。,GTO開(kāi)通和關(guān) 斷延遲時(shí)間與門極 驅(qū)動(dòng)電路形式有密 切關(guān)系，門極的耦 合方式對(duì)均流效果 有很大影響。,2. GTR串并聯(lián)運(yùn)行特點(diǎn),GTR串聯(lián)運(yùn)行時(shí)：其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓特點(diǎn)與常規(guī)均壓方式幾 乎一樣。,GTR并聯(lián)運(yùn)行時(shí)：相關(guān)參數(shù)特點(diǎn)決定其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均流有著 自身獨(dú)特之處。,基-射極電壓UBE隨集電極電流IC增大而增加。采用基極直接耦合方式可使并聯(lián)的兩只GTR靜態(tài)電流向均衡發(fā)展。,要選用導(dǎo)通壓降和值相近的GTR并聯(lián)。,通過(guò)電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，也可以達(dá)到并聯(lián)均流的運(yùn)行效果。,通常選用有輔助基極端子的達(dá)林頓GTR，將輔助基極也連接在一起，使前后段各單體GTR也并聯(lián)運(yùn)行。,3. 功率MOSFET串并聯(lián)運(yùn)行特

34、點(diǎn),功率MOSFET的串聯(lián)均壓方法與其它開(kāi)關(guān)器件的均壓方法相同。,功率MOSFET通態(tài)電阻 RDS具有正溫度系數(shù)，具有自動(dòng)均流的特性，容易并聯(lián)。,跨導(dǎo)gm是反映功率MOSFET柵極電壓對(duì)漏極電流控制能力的參數(shù)，并聯(lián)器件跨導(dǎo)的一致性越好，動(dòng)態(tài)均流效果越好。,采用柵極非直接耦合的驅(qū)動(dòng)方式，并在功率MOSFET源極串入小的電感，能使動(dòng)態(tài)均流達(dá)到較好的效果。,應(yīng)用時(shí)要注意保證各元件的結(jié)溫差要小，使并聯(lián)元件之間熱耦合要緊密，一般安裝在同一塊散熱器上可以達(dá)到較好的效果。,2.5 電力電子開(kāi)關(guān)器件的散熱,2.5.1 散熱原理,電力電子器件在工作狀態(tài)下要產(chǎn)生功率損耗，耗散功率轉(zhuǎn)變成熱量使管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高。必

35、須通過(guò)周圍環(huán)境散熱，相應(yīng)的散熱措施應(yīng)保證器件的結(jié)溫不超過(guò)最高允許的結(jié)溫，否則結(jié)溫過(guò)高時(shí)會(huì)造成器件熱擊穿而損壞。,耗散功耗P為熱流，對(duì)應(yīng)電流；溫度差T對(duì)應(yīng)電壓，熱阻R與電阻對(duì)應(yīng)，三者之間關(guān)系既為熱路歐姆定律：,器件散熱熱阻由3部分組成，結(jié)殼熱阻Rjc ，接觸熱阻Rcs ，散熱器熱阻Rsa 。器件總熱阻Rja為：,上兩式只能用來(lái)描述器件熱穩(wěn)定時(shí)耗散功率、溫升、熱阻之間的關(guān)系，用于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備中進(jìn) 行器件與散熱器的熱設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)器件沒(méi)有達(dá)到熱穩(wěn) 定時(shí)，必須采用瞬態(tài)熱阻抗來(lái)描述。,注意,接觸熱阻Rcs和散熱器熱阻Rsa稱外熱阻。外熱阻越小，器件散熱效果越好。,1. 熱路與熱阻,熱路電力電子半導(dǎo)體器件內(nèi)熱量傳導(dǎo)的路線。,瞬態(tài)熱阻抗與熱阻,瞬態(tài)熱阻抗Z是器件導(dǎo)通時(shí)間tp和負(fù)載功率占空比的函數(shù)，它與結(jié)殼熱阻Rjc之間關(guān)系為：,式中， = tp /T。 r(tp)為熱阻抗曲線。,瞬態(tài)熱阻抗一般用于沖擊負(fù)載下的器件和散熱器熱設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率高于幾百Hz，開(kāi)通時(shí)間大于幾ms時(shí)，用穩(wěn)態(tài)熱阻計(jì)算即可。,2.5.2 散熱措施與散熱設(shè)計(jì),開(kāi)關(guān)器件散熱設(shè)計(jì)是為了限制結(jié)溫。由于器件選定后，內(nèi)熱阻通常不變，因此熱設(shè)計(jì)只能在外熱阻上采取辦法。,1. 影響接觸熱阻Rcs的因素,（1）電力電子器件封裝形式不同，接觸熱阻不同。一般非絕緣型器件接