第五讲电力电子器件（四）-合肥工业大学精品课程brgp.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.第五讲 电电力电子子器件（四四）5.1 电力电子子器件驱驱动电路路5.1.1 电力电子子器件驱驱动电路路概述驱动电路路主电电路与控控制电路路之间的的接口使电力电电子器件件工作在在较理想想的开关关状态，缩缩短开关关时间，减减小开关关损耗，对对装置的的运行效效率、可可靠性和和安全性性都有重重要的意意义；对器件或或整个装装置的一一些保护护措施也也往往设设在驱动动电路中中，或通通过驱动动电路实实现。驱动电路路的基本本任务：将信息电电子电路路传来的的信号按按控制目目标

2、的要要求，转转换为加加在电力力电子器器件控制制端和公公共端之之间，可可以使其其开通或或关断的的信号；对半控型型器件只只需提供供开通控控制信号号；对全控型型器件则则既要提提供开通通控制信信号，又又要提供供关断控控制信号号。驱动电路路还要提提供控制制电路与与主电路路之间的的电气隔隔离环节节，一般般采用光光隔离或或磁隔离离光隔离一一般采用用光耦合合器；磁隔离的的元件通通常是脉脉冲变压压器。图1-225 光耦合合器的类类型及接接法a) 普普通型 b) 高速速型 c) 高传输输比型电流驱动动型和电压驱驱动型具体形式式可为分分立元件件的，但但目前的的趋势是是采用专专用集成成驱动电电路：双列直插插式集成成电

3、路及及将光耦耦隔离电电路也集集成在内内的混合合集成电电路；为达到参参数最佳佳配合，首首选所用用器件生生产厂家家专门开开发的集集成驱动动电路。5.1.2 晶闸管管的触发发电路作用：产产生符合合要求的的门极触触发脉冲冲，保证证晶闸管管在需要要的时刻刻由阻断断转为导导通广义上讲讲，还包包括对其其触发时时刻进行行控制的的相位控控制电路路晶闸管触触发电路路应满足足下列要要求： 触发脉冲冲的宽度度应保证证晶闸管管可靠导导通（结结合擎住住电流的的概念） 触发脉冲冲应有足足够的幅幅度 不超过门门极电压压、电流流和功率率定额，且且在可靠靠触发区区域之内内 应有良好好的抗干干扰性能能、温度度稳定性性及与主主电路的

4、的电气隔隔离图1-226理理想的晶晶闸管触触发脉冲冲电流波波形t1tt2脉冲前前沿上升升时间（1ms）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）图1-227 常见的的晶闸管管触发电电路V1、VV2构成成脉冲放放大环节节；脉冲变压压器TMM和附属属电路构构成脉冲冲输出环环节；V1、V2导通通时，通通过脉冲冲变压器器向晶闸闸管的门门极和阴阴极之间间输出触触发脉冲冲；VD1和和R3是为为了V11、V2由导导通变为为截止时时脉冲变变压器TTM释放放其储存存的能量量而设。5.1.3 典型全全控型器器件的驱驱动电路路1. 电电流驱动动型器件件的

5、驱动动电路GTOGTO的的开通控控制与普普通晶闸闸管相似似，但对对脉冲前前沿的幅幅值和陡陡度要求求高，且且一般需需在整个个导通期期间施加加正门极极电流使GTOO关断需施施加负门门极电流流，对其其幅值和和陡度的的要求更更高，关关断后还还应在门门阴极施施加约55V的负负偏压以以提高抗抗干扰能能力图1-228推推荐的GGTO门门极电压压电流波波形驱动电路路通常包包括开通通驱动电电路、关断驱驱动电路路和门极反反偏电路路三部分分，可分分为脉冲冲变压器器耦合式式和直接耦耦合式两两种类型型。直接耦合合式驱动动电路可可避免电电路内部部的相互互干扰和和寄生振振荡，可可得到较较陡的脉脉冲前沿沿，因此此目前应应用较

6、广广，但其其功耗大大，效率率较低。 典型的直直接耦合合式GTTO驱动动电路： 二极管VVD1和和电容CC1提供+55V电压压 VD2、VD33、C2、C3构成倍倍压整流流电路提提供+115V电电压 VD4和和电容CC4提供-115V电电压 V1开通通时，输输出正强强脉冲 V2开通通时输出出正脉冲冲平顶部部分 V2关断断而V33开通时时输出负负脉冲 V3关断断后R3和R4提供门门极负偏偏压图1-229典典型的直直接耦合合式GTTO驱动动电路GTR 开通驱动动电流应应使GTTR处于于准饱和和导通状状态，使使之不进进入放大大区和深深饱和区区 关断GTTR时，施施加一定定的负基基极电流流有利于于减小关

7、关断时间间和关断断损耗，关关断后同同样应在在基射极极之间施施加一定定幅值（6V左右）的负偏压图1-330理理想的GGTR基基极驱动动电流波波形GTR的的一种驱驱动电路路，包括括电气隔隔离和晶晶体管放放大电路路两部分分图1-331GTTR的一一种驱动动电路二极管VVD2和和电位补补偿二极极管VDD3构成成贝克箝箝位电路路，也即即一种抗抗饱和电电路，负负载较轻轻时，如如V5发射射极电流流全注入入V，会使使V过饱和和。有了了贝克箝箝位电路路，当VV过饱和和使得集集电极电电位低于于基极电电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。C2为加加速开通通过程的的电容。开开通时，R5被

8、C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。2.电压压驱动型型器件的的驱动电电路栅源间、栅栅射间有有数千皮皮法的电电容，为为快速建建立驱动动电压，要要求驱动动电路输输出电阻阻小。使MOSSFETT开通的的驱动电电压一般般1015VV，使IGGBT开开通的驱驱动电压压一般115 200V。关断时施施加一定定幅值的的负驱动动电压（一一般取 -5 -15VV）有利利于减小小关断时时间和关关断损耗耗。在栅极串串入一只只低值电电阻（数数十欧左左右）可可以减小小寄生振振荡，该该电阻阻阻值应随随被驱动动器件电电流额定定值的增增大而减减小。电力MOOSFEET的一一种驱动动电路：电气隔隔离和晶

9、晶体管放放大电路路两部分分无输入信信号时高高速放大大器A输出负负电平,V3导导通输出出负驱动动电压；当有输入入信号时时A输出正正电平，V2导通输出正驱动电压。图1-332电电力MOOSFEET的一一种驱动动电路专为驱动动电力MMOSFFET而而设计的的混合集集成电路路有三菱菱公司的的M5779188L，其其输入信信号电流流幅值为为16mmA，输输出最大大脉冲电电流为+2A和和-3AA，输出出驱动电电压+115V和和-100V。IGBTT的驱动动多采用专专用的混混合集成成驱动器器图1-333M5579662L型型IGBBT驱动动器的原原理和接接线图常用的有有三菱公公司的MM5799系列（如如M5

10、779622L和M579959LL）和富富士公司司的EXXB系列列（如EEXB8840、EXBB8411、EXBB8500和EXBB8511）。内部具具有退饱饱和检测测和保护护环节，当当发生过过电流时时能快速速响应但但慢速关关断IGGBT，并并向外部部电路给给出故障障信号。M5779622L输出出的正驱驱动电压压均为+15VV左右，负负驱动电电压为 -100V。5.2 电力力电子器器件器件件的保护护5.2.1 过过电压的的产生及及过电压压保护电力电子子装置可可能的过过电压外因过过电压和和内因过过电压外因过电电压主要要来自雷雷击和系系统中的的操作过过程等外外因(1) 操操作过电电压：由由分闸、合

11、合闸等开开关操作作引起；(2) 雷雷击过电电压：由由雷击引引起。内因过电电压主要要来自电电力电子子装置内内部器件件的开关关过程(1) 换换相过电电压：晶晶闸管或或与全控控型器件件反并联联的二极极管在换换相结束束后不能能立刻恢恢复阻断断，因而而有较大大的反向向电流流流过，当当恢复了了阻断能能力时，该该反向电电流急剧剧减小，会会由线路路电感在在器件两两端感应应出过电电压；(2) 关关断过电电压：全全控型器器件关断断时，正正向电流流迅速降降低而由由线路电电感在器器件两端端感应出出的过电电压。过电压保保护措施施图1-334过过电压抑抑制措施施及配置置位置F避雷雷器DD变压器器静电屏屏蔽层C静电感感应过

12、电电压抑制制电容RC1阀侧浪浪涌过电电压抑制制用RCC电路RC22阀侧浪浪涌过电电压抑制制用反向向阻断式式RC电路路RV压压敏电阻阻过电压压抑制器器RCC3阀器件件换相过过电压抑抑制用RRC电路路RC4直流侧侧RC抑制制电路RCDD阀器件件关断过过电压抑抑制用RRCD电电路电力电子子装置可可视具体体情况只只采用其其中的几几种。其中RCC3和RCDD为抑制制内因过过电压的的措施，属属于缓冲冲电路范范畴。外因过过电压抑抑制措施施中，RRC过电电压抑制制电路最最为常见见，典型型联结方方式见图图1-335。RC过电电压抑制制电路可可接于供供电变压压器的两两侧（供供电网一一侧称网网侧，电电力电子子电路一

13、一侧称阀阀侧），或或电力电电子电路路的直流流侧。图1-335RCC过电压压抑制电电路联结结方式a)单单相bb)三三相大容量电电力电子子装置可可采用图图1-336所示示的反向向阻断式式RC电路路图1-336反反向阻断断式过电电压抑制制用RCC电路保护电路路参数计计算可参参考相关关工程手手册。其他措施施：用雪雪崩二极极管、金金属氧化化物压敏敏电阻、硒硒堆和转转折二极极管（BBOD）等等非线性性元器件件限制或或吸收过过电压。5.2.2 过电流流的产生生及过电电流保护护过电流过载载和短路路两种情情况常用措施施（图11-377）图1-337过过电流保保护措施施及配置置位置快速熔断断器、直直流快速速断路器

14、器和过电电流继电电器。同时采采用几种种过电流流保护措措施，提提高可靠靠性和合合理性。电子电电路作为为第一保保护措施施，快熔熔仅作为为短路时时的部分分区段的的保护，直直流快速速断路器器整定在在电子电电路动作作之后实实现保护护，过电电流继电电器整定定在过载载时动作作。快速熔断断器电力电子子装置中中最有效效、应用用最广的的一种过过电流保保护措施施选择快熔熔时应考考虑：(1)电电压等级级根据熔熔断后快快熔实际际承受的的电压确确定；(2)电电流容量量按其在在主电路路中的接接入方式式和主电电路联结结形式确确定；(3)快快熔的II 2t值应小小于被保保护器件件的允许许I 2t值；(4)为为保证熔熔体在正正常

15、过载载情况下下不熔化化，应考考虑其时时间-电流特特性。快熔对器器件的保保护方式式：全保保护和短短路保护护两种全保护：过载、短短路均由由快熔进进行保护护，适用用于小功功率装置置或器件件裕度较较大的场场合；短路保护护方式：快熔只只在短路路电流较较大的区区域起保保护作用用。对重要的的且易发发生短路路的晶闸闸管设备备，或全全控型器器件（很很难用快快熔保护护），需需采用电电子电路路进行过过电流保保护。常在全全控型器器件的驱驱动电路路中设置置过电流流保护环环节，响响应最快快。5.2.3 缓冲电电路（SSnubbberr Ciircuuit）缓冲电路路（吸收电电路）：抑制器器件的内内因过电电压、ddu/dt

16、、过电电流和ddi/dt，减小小器件的的开关损损耗 关断缓冲冲电路（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； 将关断缓缓冲电路路和开通通缓冲电电路结合合在一起起复合合缓冲电电路； 其他分类类法：耗耗能式缓缓冲电路路和馈能能式缓冲冲电路（无无损吸收收电路）； 通常将缓缓冲电路路专指关关断缓冲冲电路，将将开通缓缓冲电路路叫做ddi/dt抑制电电路。缓冲电路路作用分分析1. 无缓冲电电路： V开通时时电流迅迅速上升升，di/dt很大； 关断时ddu/dt很大，并

17、并出现很很高的过过电压。2. 有缓冲电电路 V开通时时：Cs通过Rs向V放电，使使iC先上一一个台阶阶，以后后因有LLi，iC上升速速度减慢慢； V关断时时：负载载电流通通过VDDs向Cs分流，减减轻了VV的负担担，抑制制了du/dt和过电电压。图1-338di/dt抑制电电路和充充放电型型RCDD缓冲电电路及波波形a) 电路 bb) 波形关断时的的负载曲曲线 无缓冲电电路时：uCE迅速速升，LL感应电电压使VVD通，负负载线从从A移到B，之后后iC才下降降到漏电电流的大大小，负负载线随随之移到到C； 有缓冲电电路时：Cs分流使使iC在uCE开始始上升时时就下降降，负载载线经过过D到达C； 负

18、载线AADC安安全，且且经过的的都是小小电流或或小电压压区域，关关断损耗耗大大降降低。图1-339关关断时的的负载线线充放电型型RCDD缓冲电电路（图图1-338），适适用于中中等容量量的场合合。图1-440示出出另两种种，其中中RC缓冲冲电路主主要用于于小容量量器件，而而放电阻阻止型RRCD缓缓冲电路路用于中中或大容容量器件件。图1-440另另外两种种常用的的缓冲电电路a)RCC吸收电电路bb)放放电阻止止型RCCD吸收收电路缓冲电路路中的元元件选取取及其他他注意事事项 Cs和RRs的取值值可实验验确定或或参考工工程手册册 VDs必必须选用用快恢复复二极管管，额定定电流不不小于主主电路器器件

19、的11/100 尽量减小小线路电电感，且且选用内内部电感感小的吸吸收电容容 中小容量量场合，若若线路电电感较小小，可只只在直流流侧设一一个du/dt抑制电电路 对IGGBT甚甚至可以以仅并联联一个吸吸收电容容 晶闸管在在实用中中一般只只承受换换相过电电压，没没有关断断过电压压，关断断时也没没有较大大的du/dt，一般般采用RRC吸收收电路即即可5.3 电力力电子器器件器件件的串联联和并联联使用5.3.1 晶闸管管的串联联目的：当当晶闸管管额定电电压小于于要求时时，可以以串联问题：理理想串联联希望器器件分压压相等，但但因特性性差异，使使器件电电压分配配不均匀匀 静态不均均压：串串联的器器件流过过

20、的漏电电流相同同，但因因静态伏伏安特性性的分散散性，各各器件分分压不等等 承受电压压高的器器件首先先达到转转折电压压而导通通，使另另一个器器件承担担全部电电压也导导通，失失去控制制作用 反向时，可可能使其其中一个个器件先先反向击击穿，另另一个随随之击穿穿静态均压压措施 选用参数数和特性性尽量一一致的器器件 采用电阻阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多图1-441晶晶闸管的的串联a)伏伏安特性性差异b)串串联均压压措施动态均压压措施 动态不均均压由于器器件动态态参数和和特性的的差异造造成的不不均压 动态均压压措施： 选择动态态参数和和特性尽尽量一致致的器件件 用RC并并联支路路作

21、动态态均压 采用门极极强脉冲冲触发可可以显著著减小器器件开通通时间上上的差异异5.3.2 晶闸管管的并联联目的：多多个器件件并联来来承担较较大的电电流问题：会会分别因因静态和和动态特特性参数数的差异异而电流流分配不不均匀均流措施施 挑选特性性参数尽尽量一致致的器件件 采用均流流电抗器器 用门极强强脉冲触触发也有有助于动动态均流流 当需要同同时串联联和并联联晶闸管管时，通通常采用用先串后后并的方方法联接接图1443 晶闸闸管并联联均流电电路5.3.3 电力MMOSFFET和和IGBBT并联联运行的的特点电力MOOSFEET并联联运行的的特点Ron具具有正温温度系数数，具有有电流自自动均衡衡的能力力，容易易并联；注意选用用Ron、UT、Gfs和Cisss尽量相相近的器器件并联联；电路走线线和布局局应尽量量对称；可在源极极电路中中串入小小电感,起到均均流电抗抗器的作作用。IGBBT并联联运行的的特点在1/22或1/33额定电电流以下下的区段段，通态态压降具具有负的温度度系数；在以上的的区段则则具有正正温度系系数；并联使用用时也具具有电流流的自动动均衡能能力，易易于并联联。