电力电子器件应用的共性问题.ppt

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1、电力电子器件应用的共性问题 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望9.1 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动9.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述9.1.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路29.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述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。一

2、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驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口39.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，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图9-1光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型49.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质

3、分，可分为电电流流驱驱动动型型和电电压驱动型压驱动型。驱动电路具体形式可为分分立立元元件件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类分类59.1.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路作作用用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶晶闸闸管管触触发发电电路路应应满满足足下下列列要求要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及

4、与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）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）晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路6承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。DATASHEET晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：9.1.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路79.1.

5、2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路V1、V2构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。图9-3常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路89.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(1)GTOGTO的开开通通控控制制与普通晶闸管相似。GTO关关断断控控制制需施加负门极电流。图9-4推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路

6、和门门极极反反偏偏电电路路三部分，可分为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式式和直直接接耦耦合合式式两种类型。99.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件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。图9-5典型的直接耦合式GTO驱动电路109.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件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。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib图9-6理想的GTR

7、基极驱动电流波形(2)GTR119.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路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。图9-7GTR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。129.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力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1520V。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

8、极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路139.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(1)电力电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分图9-8电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力MOSFET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。149.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路(2)IGBT的驱动的驱动图9-9M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的

9、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。159.2 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护9.2.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护9.2.2 过电流保护过电流保护9.2.3 缓冲电路缓冲电路169.2.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护外因过电压：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操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压雷击过电压：由雷击引起内内因因过过电电压压：主要来自电力电子装置内部器件的

10、开关过程换换相相过过电电压压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，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。关关断断过过电电压压：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。电电力力电电子子装装置置可可能能的的过过电电压压外外因因过过电电压压和内内因因过电压过电压179.2.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图9-10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

11、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为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。189.2.2 过电流保护过电流保护过电流过载过载和短路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。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。图9-11过电流保

12、护措施及配置位置199.2.2 过电流保护过电流保护全保护：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：全全保保护护和短短路路保保护护两种209.2.3缓冲电路缓冲电路关关断断缓缓冲冲电电路路（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。开开通通缓缓冲冲电电路路（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

13、通损耗。复合缓冲电路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：耗耗能能式式缓缓冲冲电电路路和馈馈能能式式缓缓冲冲电电路路（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。缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit)：又称吸收电路吸收电路，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。21b)tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC9.2.3缓冲电路缓冲电路缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路：有缓冲电路：图9-13di/dt抑制电路和充放电型RC

14、D缓冲电路及波形a)电路b)波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO图9-12关断时的负载线229.2.3缓冲电路缓冲电路充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。图9-14di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。图9-15另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路239.3电力电子器件器件的串联和并联使用电力电子器件器件的串联和并联使用9.3.1 晶闸管的串联晶闸管的串联9.3.2 晶闸管的并联晶闸管的并联9.3.3 电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点

15、并联运行的特点249.3.1 晶闸管的串联晶闸管的串联问问题题：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。目目的的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。259.3.1 晶闸管的串联晶闸管的串联静态均压措施静态均压措施：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9-16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

16、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。269.3.2晶闸管的并联晶闸管的并联问问题题：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。目的目的：多个器件并联来承担较大的电流279.3.3电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点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，通态压降具有负负温度系数。在以上的区段则具有正正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点28