（高职)1.9 电力电子器件的驱动与保护ppt课件.ppt

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1、1.9 电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护Power Electronics电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) ) 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.9 1.9 电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护 电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容：电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容： （1）电力电子开关管的驱动：）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。器件的通、断状态。 （2）过流、过压保护：）过流

2、、过压保护：包括包括器件保护器件保护和和系统保护系统保护两个方两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。溃而造成事故。 （3）缓冲器：）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压在开通和关断过程中防止开关管过压 和过流，减小和过流，减小 、 减小开关损耗。减小开关损耗。dtdudtdi （4）滤波器：）滤波器：在输出直流的

3、电力电子系统中输出滤波器在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量。的电力质量。 （5）散热系统：）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。 （6）控制系统：）控

4、制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。信号，开机、停机信号和保护信号。1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式 驱动电力电子器件，就是要实现器件的换流。驱动电力电子器件，就是要实现器件的换流。 在图中，在图中，T1、T2表示由两个电力半导体器件表示由两个电力半导体器件（用理想开关模型表示）组成的导电臂，当（用理想开关模型表示）组成的导电臂，当T1关关断，断，T2导通时，电流导通时，电流i流流过过T2;当当T

5、2关断关断，T1导通导通时，电流时，电流i从从T2转移到转移到T1。电流从一个臂向另一。电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流。个臂转移的过程称为换流。图图 1.9.1 桥臂的换流桥臂的换流 一般来说，换流方式可分为以下几种：一般来说，换流方式可分为以下几种： （1）器件换流：）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流。利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流。 （2）电网换流）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移。：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移。1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换

6、流方式 （3）负载换流：）负载换流：有负载提供换流有负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电电压，使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移。流从一个臂向另一个臂转移。 （4）脉冲换流：）脉冲换流：设置附加的换流电设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移。个臂向另一个臂转移。 脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。图给你了脉冲电压换流的电流换流。图给你了脉冲电压换流的电路原理图，图为脉冲电流换流原理电路原理图，图为脉冲电流换流原理图。

7、图。 图图 1.9.2 脉冲电压换流原理图脉冲电压换流原理图图图 1.9.3 脉冲电流换流原理图脉冲电流换流原理图 1.9.2 驱动电路驱动电路 驱动电路的基本任务：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。或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。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。断控制信号。 在

8、高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。 作用：作用：产生符合要求的门极触产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。通时刻。 图为基于脉冲变压器图为基于脉冲变压器PTPT和三极和三极管放大器的驱动电路。管放大器的驱动电路。 工作原理：工作原理：当控制系统发出的当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放大器高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器后，变压器PTPT输出电压经输出电压经D D2 2输出脉冲输出脉冲

9、电流触发电流触发SCRSCR导通。当控制系统发出导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，的驱动信号为零后，D D1 1、D DZ Z续流，续流，PTPT的原边电压速降为零，防止变压器的原边电压速降为零，防止变压器饱和。饱和。1.9.2 驱动电路驱动电路图图1.9.4 带隔离变压器的带隔离变压器的 SCR驱动电路驱动电路 图光耦隔离的图光耦隔离的SCRSCR驱动电路。驱动电路。 工作原理：工作原理：当控制系统发出当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中光耦输出电路中R R上的电压产上的电压产生脉冲电流触发生脉冲电流触发SCRSCR导通。导通。图图1.9.5 光耦

10、隔离的光耦隔离的SCR驱动电路驱动电路 1.9.2 驱动电路驱动电路开通：开通：在门极加正驱动电流在门极加正驱动电流关断：在门极加很大的负电流2GTO的驱动电路的驱动电路图图 1.9.6 GTO的的 基本驱动电路基本驱动电路 1.9.2 驱动电路驱动电路 1）图）图1.9.6(a) 晶体管导通、关断过程：晶体管导通、关断过程： 电源经使电源经使GTO触发导通，电容充电，触发导通，电容充电， 电压极性如图示。当关断时，电容放电，电压极性如图示。当关断时，电容放电，反向电流使反向电流使GTO关断。关断。 起开通限流作用，在起开通限流作用，在SCR阳极电流下降阳极电流下降期间释放出储能，补偿期间释放

11、出储能，补偿GTO的门极关断电流，的门极关断电流，提高了关断能力。提高了关断能力。 该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源，源， 其关断能力有限且不易控制。另一方面，其关断能力有限且不易控制。另一方面，电容上必须有一定的能量才能使电容上必须有一定的能量才能使GTO关断，关断，故触发的脉冲必须有一定的宽度。故触发的脉冲必须有一定的宽度。 1.9.2 驱动电路驱动电路图图1.9.6 (a) 2. GTO的几种基本驱动电路：的几种基本驱动电路： 2)图图1.9.6(b)导通和关断过程：导通和关断过程： 导通：导通：1、2导通时导通时GTO被触发；被触发； 关断

12、：关断：1、2关断和关断和SCR、SCR 导通时导通时GTO门极与阴极间流过负电流门极与阴极间流过负电流 而被关断；而被关断；由于GTO的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲； 1.9.2 驱动电路驱动电路图图1.9.6 (b)2. GTO的几种基本驱动电路：的几种基本驱动电路： 1.9.2 驱动电路驱动电路 导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。电路简单。 对于对于300A以上的以上的GTO，用此驱动电路，用此驱动电路可以满足要求。可以满足要求。 图图 1.9.6(c) 图图1.9.6(d)1.9

13、.2 驱动电路驱动电路1) 作用作用: 将控制电路输出的控制信号放大将控制电路输出的控制信号放大到足以保证到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。可靠导通和关断的程度。 2) 功能功能: 提供合适的正反向基流以保证提供合适的正反向基流以保证GTR 可靠导通与关断可靠导通与关断(期望的基极驱动电流波期望的基极驱动电流波 形如图形如图1.9.7 所示所示)。 实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。 具有自动保护功能，以便在故障发生具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。 电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗电路尽可能简单、

14、工作稳定可靠、抗干扰能力强。干扰能力强。图图1.9.7 理想的基极理想的基极 驱动电流波形驱动电流波形 3. GTR的驱动电路的驱动电路 3GTR的参考驱动电路的参考驱动电路（1）简单的双电源驱动电路：）简单的双电源驱动电路： 电路如图所示，驱动电路与电路如图所示，驱动电路与GTR（T6）直接耦合，控制电）直接耦合，控制电路用光耦实现电隔离，正负电路用光耦实现电隔离，正负电源源(+Uc2和和-Uc3)供电。供电。（2）集成基极驱动电路：）集成基极驱动电路： UAA4002集成基极驱动电路集成基极驱动电路可对可对GTR实现较理想的基极电实现较理想的基极电流优化驱动和自身保护。流优化驱动和自身保护

15、。图图 1.9.8 双电源驱动电路双电源驱动电路1.9.2 驱动电路驱动电路 3GTR的参考驱动电路的参考驱动电路图图1.9.9 UAA4002 内部功能框图内部功能框图 图图1.9.10 UAA4002的的 GTR驱动电路驱动电路 1.9.2 驱动电路驱动电路 由于由于IGBT的输入特性几乎和的输入特性几乎和VDMOS相同相同(阻抗高，阻抗高，呈容性呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于的驱动电路同样可以用于VDMOS。1.9. 2 驱动电路驱动电路图图1.9.11 采用脉冲变压器隔采用脉冲变压器隔 离的栅极驱动电路

16、离的栅极驱动电路 图图1.9.12 推挽输出的推挽输出的 栅极驱动电路栅极驱动电路 4MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路4MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路图图1.9.13 EXB8XX驱动模块框图驱动模块框图 图图2.9.11 集成驱动器的应用电路集成驱动器的应用电路 1.9.2 驱动电路驱动电路1.9.3 保护电路保护电路n电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过压，造成开关器件的永久性损坏。n过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件

17、的电流、电压，保护主电路中面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故 。 通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。可靠性和合理性。 快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快

18、速断路器整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。作。 1.9.3 保护电路保护电路图图1.9.16 电力电子系统中常用的过流保护方案电力电子系统中常用的过流保护方案 1 . 过电流保护（过流包括过载和短路）过电流保护（过流包括过载和短路） 过电压过电压外因过电压和内因过电压。外因过电压和内因过电压。 外因过电压：外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。合闸等开关操作引起）等外因。 内因过电

19、压：内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。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：换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。器件两端感应出过电压。 (2) 关断过电压：关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而全控型器件关断时，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

20、压。由线路电感在器件两端感应出的过电压。1.9.3 保护电路保护电路2过电压保护过电压保护 电力电子系统中常用的过电压保护方案：电力电子系统中常用的过电压保护方案： 图中交流电源经交流断路器图中交流电源经交流断路器S送入降变压器送入降变压器T。当雷电过电压从电网窜。当雷电过电压从电网窜入时，避雷器入时，避雷器F将对地放电防止雷电进入变压器。将对地放电防止雷电进入变压器。C0为静电感应过电压抑制为静电感应过电压抑制电容，当交流断路器合闸时，过电压经电容，当交流断路器合闸时，过电压经C12耦合到耦合到T的次极，的次极，C0将静电感应将静电感应过电压对地短路，保护了后面的电力电子开关器件不受操作过电

21、压对地短路，保护了后面的电力电子开关器件不受操作1.9.3 保护电路保护电路图图1.9.17 电力电子系统中电力电子系统中常用的过电压保护方案常用的过电压保护方案 过电压的冲击。过电压的冲击。C1R1是过电压抑制环节，当变压器是过电压抑制环节，当变压器T的次极出现过电压时，过电压对的次极出现过电压时，过电压对C1充电，由于电容充电，由于电容上的电压不能突变，所以上的电压不能突变，所以C1R1能抑制过电压。能抑制过电压。C2R2也是过电压抑制环节，电路上出现过电压时，二极管也是过电压抑制环节，电路上出现过电压时，二极管导通对导通对C2充电，过电压消失后充电，过电压消失后C2对对R2放电，二极管放

22、电，二极管不导通，放电电流不会送入电网，实现了系统的过压不导通，放电电流不会送入电网，实现了系统的过压保护。保护。2过电压保护过电压保护 1.9.4 缓冲电路缓冲电路 1）原因：）原因：电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、断态四种工作状态，其中断态时承受高电压，通态时承载断态四种工作状态，其中断态时承受高电压，通态时承载大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的过流、过大的 、 以及过大的瞬时功率。以及过大的瞬时功率。 2）缓冲电路作用：）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使

23、器件工防止高电压和大电流可能使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。作点超出安全工作区而损坏器件。 3）原理：）原理：关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换相关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制过电压，抑制 ,减小关断损耗；开通缓冲电路抑制器件减小关断损耗；开通缓冲电路抑制器件开通时的电流过冲和开通时的电流过冲和 ,减小器件的开通损耗。减小器件的开通损耗。dtdudtdidtdidtdu GTR开通过程：开通过程：一方面一方面S经经S、S和和GTR回路放电减小了回路放电减小了GTR承受较大的电流上升率承受较大的电流上升率 ，另一方面负载电流经电感，另一方面负载电流经电感S后后受到了缓

24、冲，也就避免了开通过程中受到了缓冲，也就避免了开通过程中GTR同时承受大电流和高电同时承受大电流和高电压的情形。压的情形。 GTR关断过程：关断过程： 流过负载流过负载L的电流经的电流经电感电感LS、二极管、二极管S给电容给电容S充电，因为充电，因为S上电压不能突变，这就使上电压不能突变，这就使GTR在关断过程在关断过程电压缓慢上升，避免了关断过程初期器件中电压缓慢上升，避免了关断过程初期器件中电流还下降不多时，电压就升到最大值电流还下降不多时，电压就升到最大值,同同时也使电压上升率时也使电压上升率 被限制。被限制。1.9.4 缓冲电路缓冲电路图图1.9.18 GTR 缓冲电路缓冲电路dtdi

25、dtdu图是一种中、小功率开关器件图是一种中、小功率开关器件GTR的缓冲电路。的缓冲电路。 图所示是一种大功率开关器件图所示是一种大功率开关器件GTR的缓冲电路。的缓冲电路。将无感电容器将无感电容器C、快快恢复二极管恢复二极管D和无感电阻和无感电阻R组成组成RCD缓冲吸收回路。缓冲吸收回路。 器件关断过程：器件关断过程：电流经过电流经过C、D给无感电容器充电，使器件的给无感电容器充电，使器件的UCE电压电压缓慢上升，可有效地抑制过电压的产生；缓慢上升，可有效地抑制过电压的产生； 器件开通过程：器件开通过程：C上的电荷再通过电阻上的电荷再通过电阻R经器件放电，可加速器件的经器件放电，可加速器件的

26、导通。导通。 作用：作用：采用缓冲吸收回路后：不仅保护了器件，使之工作在安全工作采用缓冲吸收回路后：不仅保护了器件，使之工作在安全工作区，而且由于器件的开关损耗有一部分转移到了缓冲吸收回路的功率电区，而且由于器件的开关损耗有一部分转移到了缓冲吸收回路的功率电阻阻R上，因此降低了器件的损耗，并且可以降低器件的结面温度，从而上，因此降低了器件的损耗，并且可以降低器件的结面温度，从而可充分利用器件的电压和电流容量。可充分利用器件的电压和电流容量。1.9.4 缓冲电路缓冲电路图图1.9.19 两种经常使用的缓冲吸收回路两种经常使用的缓冲吸收回路 1.9.5 散热系统散热系统 电力半导体器件在电能变换、

27、开关动作中会产生功率损电力半导体器件在电能变换、开关动作中会产生功率损耗，使得器件发热，结面温度上升。但是，电力半导体器件耗，使得器件发热，结面温度上升。但是，电力半导体器件均有其安全工作区所允许的工作温度（结面温度），无论任均有其安全工作区所允许的工作温度（结面温度），无论任何情况下都不允许超过其规定值。为此，必须要对电力半导何情况下都不允许超过其规定值。为此，必须要对电力半导体器件进行散热。体器件进行散热。 电力半导体器件的散热，一般有三种散热方式：电力半导体器件的散热，一般有三种散热方式： 自然自然散热散热：只适用于小功率应用场；只适用于小功率应用场； 风扇风扇散热散热：适用于中等功率应用场合，如适用于中等功率应用场合，如IGBT应用电路；应用电路； 水水散热散热：适用于大功率应用场合，如大功率适用于大功率应用场合，如大功率GTO、IGCT及及SCR等应用电路；等应用电路； 1.9.5 散热系统散热系统 电力半导体器件的的结面温度可以用热阻求出，图表电力半导体器件的的结面温度可以用热阻求出，图表示热阻的概念。图是电力半导体器件加散热器后热阻的示示热阻的概念。图是电力半导体器件加散热器后热阻的示意图。意图。图图 1.9.20 热阻的概念热阻的概念图图 1.9.21 电力半导体器件加散热器后电力半导体器件加散热器后热阻的示意图热阻的示意图