电力电子技术基础—驱动.pptx

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1、第二部分 电力电子器件6South China University of Technology第四章 电力电子器件的驱动和保护第1页/共88页 驱动电路主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现 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 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，又要提供关断控制信号电力电子器

2、件的驱动和保护驱动保护电路概述第2页/共88页电力电子器件的驱动和保护驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1电流驱动型和电压驱动型驱动保护电路概述第3页/共88页4.1 晶闸管的触发电路第4页/共88页相控电路： 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小 采用晶闸管相控方式时的交流交流电力变换电路和交交变频电路（第7章） 相控电路的驱动控制 为

3、保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。对于相控电路这样使用晶闸管的场合，也习惯称为触发控制，相应的电路习惯称为触发电路。晶闸管的触发电路相控电路以及驱动要求第5页/共88页晶闸管的触发电路单结晶体管bbbbbHUURRRU211IeVDUe+-eRb2 Rb1 b1 b2 +-Heb2b1单结晶体管：特殊的半导体器件，三个引出端，只有一个PN结在高电阻率的N型半导体基片上引出第一基极b1和第二基极b2，在两基极之间靠近b2出掺入P型杂质，引出发射极e为分压比，一般为0.30.9第6页/共88页晶闸管的触发电路 UeUH时，二

4、极管反偏，只有很少的漏电流 Ue=Ub+UVD,VD导通，Up称为峰点电压，Ip峰点电流 VD导通，Rb1迅速减小，UH下降，Ie增大到Iv时，Ue=UV，Uv谷点电压， Iv谷点电流。P-V两点之间称为负阻区 一旦UeUV, Rb1增大，单结晶体管由导通转入截止。单结晶体管IeVDUe+-eRb2 Rb1 b1 b2 +-H第7页/共88页晶闸管的触发电路单结晶体管组成的简易触发电路CUPUVUGU00tR2 R1 ReC+-加上电源U，电容C充电，当Uc=Up 时，单结晶体管VG导通，C经R2放电，从R2上引出脉冲电压uG触发晶闸管VTUc-E1(-15V)，V5又重新导通。使V7、V8截

5、止，输出脉冲终止。 脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关 电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中V7.0K=u脉冲形成环节点击此处看原理图点击此处看波形图第13页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ukupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15V

6、D11VD14第14页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路波形第15页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路2) 锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成 V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图2-54 同步信号为锯齿波的触发电路锯齿波形成和脉冲移相第16页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路 电路组成 锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等 恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成 V1、VS、RP2和R3为一 恒流源电路锯齿波形成和脉冲移相点击此处

7、看原理图点击此处看波形图第17页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路 工作原理： V2截止时，恒流源电流I1c对电容C2充电， 调节RP2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可见RP2是 用来调节锯齿波斜率的。 V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，ub3电位迅速降到零伏附近 V2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，同样ue3也是一个锯齿波tICtICuccc111d1锯齿波形成和脉冲移相点击此处看原理图点击此处看波形图第18页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路 射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响 V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uk、直流偏移电压up三者作用的叠

8、加所定 如果uk=0，up为负值时，b4点的波形由uh+ up 确定 当uk为正值时，b4点的波形由uh+ + 确定 M点是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿 加up的目的是为了确定控制电压uk=0时脉冲的初始相位pucou锯齿波形成和脉冲移相u点击此处看原理图点击此处看波形图第19页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定 锯齿波是由开关V2管来控制的 V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定 V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点 V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于

9、充电时间常数R1C1同步环节点击此处看原理图点击此处看波形图第20页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ukupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14第21页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路波形第22页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路强触发环节晶闸管采用强触发可以缩短开通时间，有利于改善串并

10、联器件的动态均压、均流效果、增加触发的可靠性。强触发电源：由VD11DV14单相桥式整流电路获得50V电压。vVD8截止时，C6充电，D点电位上升到50V；vVD8导通时，C6迅速放电，D点电位迅速下降；vUD小于15V时，VD15导通，由15V电源供电。点击此处看原理图点击此处看波形图第23页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ukupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V

11、5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14第24页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路波形第25页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路 V5、V6构成“或”门 当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出 只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出 第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角a 产生 隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）双窄脉冲形成环节点击此处看原理图点击此处看波形图第26页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路NO.1NO.2NO.3NO.4NO.5NO.6

12、X1Y1X2Y2 X3Y3 X4Y4 X5Y5 X6Y6UG6UG5UG4UG3UG2UG1三相桥式电路触发器的连接VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1-顺序导通，彼此相隔60度，为能准确的产生双窄脉冲，各触发器应遵循：前相触发电路的Y接后相的X端的原则。第27页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ukupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10V

13、D5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14第28页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路波形第29页/共88页分立元件搭建的触发电路结构复杂，性能不够稳定！集成元件搭建的触发电路结构简单，性能相对稳定！同步信号为锯齿波的触发电路第30页/共88页晶闸管的触发电路集成元件组成的触发电路主要元件：集成运放LM324、双时基电路NE556移相范围：0180度点击图形看大图第31页/共88页集成元件组成的触发电路第32页/共88页Ott1t2u1u2u3usu4u5u6u7u8uk集成元件组成的触发电路波形第33页/共88页集成元件组成的触发电路同步环节Us为正弦同步电压LM324用作比较器，

14、检测正弦波的过零点U1、U2为各导通180度且互补的矩形波点击图形看大图点击此处看波形第34页/共88页集成元件组成的触发电路锯齿波形成环节恒流源在V1的作用下，电容C2充放电，形成锯齿波U4点击图形看大图点击此处看波形第35页/共88页集成元件组成的触发电路移相环节LM324用作比较器通过调节Uk的幅值，可以实现移相的目的Uk即为外加控制信号点击图形看大图点击此处看波形第36页/共88页集成元件组成的触发电路脉冲形成环节556用作一对单稳电路5、9脚输出相差180度的触发脉冲点击图形看大图点击此处看波形第37页/共88页集成元件组成的触发电路脉冲输出环节电磁隔离V2起功率放大作用点击图形看大

15、图点击此处看波形第38页/共88页晶闸管的触发电路同步电压的选择 触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系 措施： 同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致 触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系Ott1t3uuuvuwu2-uut2第39页/共88页晶闸管的触发电路v 三相桥整流器，采用锯齿波同步触发电路时的情况 同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了的30线性度不好，舍去不用，使用中间的180。锯齿波的中点与同步信号的300位置对应 使Ud=0的触发角a 为

16、90。当a 90时为逆变工作 将a =90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。于是a =90与同步电压的300对应，也就是a =0与同步电压的210对应。a =0对应于uu的30的位置，则同步信号的180与uu的0对应，说明VT1的同步电压应滞后于uu 180同步电压的选择第40页/共88页晶闸管的触发电路TTSuUuvuw usuY/Y-12uUuvuw usv usw -usu -usv -uswY/Y-12Y/Y-6uU -usuuwuv -usw -usv usw usu usv 变压器接法：主电路整流变压器为Y/Y-12联结，同步变压器为Y/Y-6联结主变压器和同步

17、变压器的连接第41页/共88页晶闸管的触发电路晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+uu-uw+uv-uu+uw-uv同步电压-usu+usw-usv+usu-usw+usv主电压与同步电压的对应关系第42页/共88页4.2 GTO的驱动电路第43页/共88页GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。图1-28推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。GTO的驱动电路GTO的驱动电路的要求第44页/共88页GT

18、O的驱动电路GTO的驱动电路的要求dtdudtduGUwtdtdudtduwtGUdtdudtdudtdudtdu负尖峰脉冲正尖峰脉冲GTO属于电流驱动型器件脉冲前沿的陡度脉冲的宽度脉冲的幅值脉冲后沿的陡度要求：脉冲的前沿越陡越有利； 而后沿应平缓一些。正脉冲的后沿太陡会产生负尖峰；负脉冲的后沿太陡会产生正尖峰；误触发第45页/共88页GTO的驱动电路GTO的触发方式直流触发1连续脉冲触发2单脉冲触发3第46页/共88页GTO的驱动电路GTO驱动电路（恒压源关断）R2E1CV2V1R3R1E正尖峰电流第47页/共88页GTO的驱动电路EGCVGTO2 5 VT50V4A-10AGTO驱动电路（

19、变压源关断）第48页/共88页GTO的驱动电路VGTO2 1.8KVT110V33012u0.22u0.1u51k5:164us0.2AGTO驱动电路（脉冲变压器关断）第49页/共88页GTO的驱动电路直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路GTO驱动电路（直接耦合式）3ci2ciit第50页/共88页4.3 GTR的驱动电路第51页/共88页GT的驱动电路开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断

20、后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib理想的GTR基极驱动电流波形GTR驱动电路第52页/共88页GT的驱动电路GTR的驱动电路IBP+IBP-s5s2s50.IBE1E2R1R2V1V2RLGTR(+)(-)第53页/共88页GT的驱动电路GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2图1-31GTR的一种驱动电路驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。GTR集成驱动电路第54页/共88页4.

21、4 MOSFET和IGBT的驱动电路第55页/共88页MOSFET和IGBT的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。电压驱动型器件的驱动电路MOSFET和IGBT的驱动电路第56页/共88页MOSFET和IGBT的驱动电路 电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力MO

22、SFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。 MOSFET和IGBT的驱动电路第57页/共88页MOSFET和IGBT的驱动电路 IGBT的驱动图M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。 多采用专用的混合集成驱动器。MOSFET和IGBT的驱动电路第58页/共88页MOSFET和IGBT的驱动电路驱动电路实物第59页/共88页4.5

23、电力电子器件的缓冲电路第60页/共88页电力电子器件的缓冲电路关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路第61页/共88页电

24、力电子器件的缓冲电路缓冲电路的作用安全ON ：限制di/dt 开通/串联缓冲；OFF：限制du/dt 关断/并联缓冲； 降低（转移）S损耗，改变开关轨迹。缓冲电路（Snubber Circuit）有损缓冲电路无损缓冲电路部分开关损耗转移到缓冲电路（总值不变）iC CuCECEMN总损耗P = 导通损耗Pon + 阻断损耗Poff + 开关损耗 Ps （ Ps=4080%P)iC CuCECEMNUCCCCICSCS开关轨迹第62页/共88页电力电子器件的缓冲电路VccVD1R1LsRsVDrVDsCsGTRGTR的缓冲电路iu无di/dt限制有di/dt限制ciCEu无缓冲关断缓冲电路：Cs、

25、VDs、GTR开通缓冲电路：Rs、Ls、VDr第63页/共88页电力电子器件的缓冲电路IGBT的缓冲电路VdVDLsVDsIGBTRL第64页/共88页电力电子器件的缓冲电路缓冲阻容元件第65页/共88页电力电子器件的缓冲电路缓冲线路板第66页/共88页电力电子器件的缓冲电路带缓冲电路的电力电子装置第67页/共88页4.6电力电子器件及装置的保护 第68页/共88页电力电子器件及装置的保护 外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相

26、结束后，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。关断过电压：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压。电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压电力电子器件及装置的保护第69页/共88页电力电子器件及装置的保护 RC过压抑制电路+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1 -35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧第70页/共88页电力电子器件及装置的保护 其他过压保护措施其他措施：

27、用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压 压敏电阻外形同瓷介电容 特性曲线同正反相稳压管 压敏电阻的接法 ：a) 单相联接b) 三相星形联接 第71页/共88页电力电子器件及装置的保护 过电压保护措施过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压

28、的措施，属于缓冲电路范畴。电力电子器件及装置的保护第72页/共88页1. 产生：短路、过载时会产生过电流2. 保护：快速熔断器（1.57IT(AV)IFUITM ）快速熔断器保护的接法a)串于桥臂中 b)串于交流侧 c) 串于直流侧 银质熔丝石英沙电力电子器件及装置的保护 过电流的产生及保护第73页/共88页过电流保护措施过电流继电器快速熔断器直流快速断路器过电流短路时的部分区段的保护整定在电子电路动作之后实现保护整定在过载时动作短路过载电力电子器件及装置的保护 过电流的产生及保护同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分 区段的保护，直流

29、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作。第74页/共88页电力电子器件及装置的保护 过电流过载和短路两种情况保护措施负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。一般情况下，总是让电子过电流保护装置等措施先起保护作用，而快速熔断器作为最后一道保护，以尽量避免直接烧断快速熔断器。过电流保护措施及配置位置电力电子器件及装置的保护第75页/共88页电力电子器件及装置的保护 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的

30、场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种电力电子器件及装置的保护第76页/共88页4.6电力电子器件的串联和并联使用 第77页/共88页电力电子器件的串联和并联使用 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以

31、串联。晶闸管的串联第78页/共88页电力电子器件的串联和并联使用 静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图1-41晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。晶闸管的串联第79页/共88页电力电子器件的串联和并联使用 问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。 均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉

32、冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。目的：多个器件并联来承担较大的电流晶闸管的并联第80页/共88页电力电子器件的串联和并联使用 Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。在以上的区段则具有正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力MOSFET并联运行的特点电力MOSFET和IGBT并联运行第81页/共8

33、8页END!第82页/共88页END!第83页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VX Y接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ukupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11VD14第84页/共88页同步信号为锯齿波的触发电路波形第85页/共88页集成元件组成的触发电路第86页/共88页集成元件组成的触发电路波形第87页/共88页感谢您的观看！第88页/共88页