电力电子开关器件的辅助电路.ppt

《电力电子开关器件的辅助电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子开关器件的辅助电路.ppt（57页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第2章章 电力电子开关器件的辅助电路电力电子开关器件的辅助电路 要保证用于电力系统或电力设备主电路中的各种开关器要保证用于电力系统或电力设备主电路中的各种开关器件在工作过程中的安全和可靠，必须针对器件的不同性能和件在工作过程中的安全和可靠，必须针对器件的不同性能和容量设计相应的辅助电路。包括：驱动电路、缓冲电路和保容量设计相应的辅助电路。包括：驱动电路、缓冲电路和保护电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在护电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在较理想的开关状态，减少开关损耗，提高器件工作可靠性。较理想的开关状态，减少开关损耗，提高器件工作可靠性。本章还介绍了电力电子开

2、关器件的串并联技术和散热技本章还介绍了电力电子开关器件的串并联技术和散热技术，这些辅助技术手段对设备的运行安全、运行效率和可靠术，这些辅助技术手段对设备的运行安全、运行效率和可靠性都有着重要的意义。性都有着重要的意义。教学要求：1.掌握各种电力电子开关器件的相关辅助电路设计方法；掌握各种电力电子开关器件的相关辅助电路设计方法；2.了解电力电子开关器件的串并联技术；了解电力电子开关器件的串并联技术；3.掌握功率器件散热设计方法。掌握功率器件散热设计方法。2.1 电力电子开关器件的驱动电路电力电子开关器件的驱动电路驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口。主电路与控制电路之间的接口。l使电力电子

3、器件工作在较理想的开关状态，缩短开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。关时间，减小开关损耗。l对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。义。l一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动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。电路实现。l按照驱动信号的性质分为电流驱动型和电压驱动型。按照驱动信号的性质分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：l按控制目标的要求施加开通或关断的信号。按控制目标的要求施加开通或关断的信号。l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

4、通控制信号。l对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提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。供关断控制信号。2.1.1 晶闸管的门极驱动电路（晶闸管的门极驱动电路（电流驱动型电流驱动型）1.晶闸管触发电路的基本要求晶闸管触发电路的基本要求（1）触发信号通常采用脉冲信号。）触发信号通常采用脉冲信号。（2）触发脉冲要有足够的触发功率。）触发脉冲要有足够的触发功率。（3）触发脉冲的移相范围要满足变流装置的要求。一般移相）触发脉冲的移相范围要满足变流装置的要求。一般移相范围范围180。（4）触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲前沿陡度大）触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲前

5、沿陡度大于于10V/s或或800mA/s。（5）触发脉冲与主电路电源电压保持同步。）触发脉冲与主电路电源电压保持同步。SCR导通必须的外界条件：阳极加正向电压，门极导通必须的外界条件：阳极加正向电压，门极加正触发信号。当加正触发信号。当SCR导通后，门极控制信号不再起作导通后，门极控制信号不再起作用，直到阳极电压减小或反向后，阳极电流小于维持电用，直到阳极电压减小或反向后，阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。因此，晶闸管的门极驱动电路流，晶闸管才自行关断。因此，晶闸管的门极驱动电路又称为触发电路。又称为触发电路。2.触发电路的类型触发电路的类型晶闸管门极触发电路有晶闸管门极触发电路有移相控

6、制移相控制和和垂直控制垂直控制两种方法：两种方法：移相控制移相控制通过改变控制脉冲产生的时间来改变晶闸管通过改变控制脉冲产生的时间来改变晶闸管的导通角。的导通角。垂直控制垂直控制将移相信号和控制信号叠加，通过改变控制信将移相信号和控制信号叠加，通过改变控制信号的大小来改变晶闸管导通号的大小来改变晶闸管导通角。触发电路中触发脉冲可以用模拟电路或数字电路来产生，目触发电路中触发脉冲可以用模拟电路或数字电路来产生，目前应用广泛的：前应用广泛的：专用集成触发电路专用集成触发电路模拟式触发电路的单片集成，具有模拟式触发电路的单片集成，具有移相线性度好，性能稳定可靠，体积小，温漂小等优点。移相线性度好，性

7、能稳定可靠，体积小，温漂小等优点。数字式触发电路数字式触发电路将数字逻辑电路和微处理器用于产生将数字逻辑电路和微处理器用于产生移相触发脉冲，其硬件电路大大简化，触发脉冲一致性好，移相触发脉冲，其硬件电路大大简化，触发脉冲一致性好，触发角的分辨率高，并可提高触发器的灵活性和稳定性。触发角的分辨率高，并可提高触发器的灵活性和稳定性。3.集成化触发电路集成化触发电路 集成化触发器体积小、性能好、功耗低、可靠性高，目集成化触发器体积小、性能好、功耗低、可靠性高，目前国内常用的有前国内常用的有KC 和和KJ两个系列。两个系列。例如，例如，KC04集成触发器为集成触发器为16脚脚双列直插式塑封芯片。双列直

8、插式塑封芯片。l与锯齿波同步触发与锯齿波同步触发电路相似，由同步单电路相似，由同步单元、锯齿波形成单元、元、锯齿波形成单元、移相单元、脉冲形成移相单元、脉冲形成单元和功率放大单元单元和功率放大单元组成。组成。l由一个由一个KJ04构成的构成的触发电路可输出两个触发电路可输出两个相位差相位差180的触发的触发脉冲，用来控制晶闸脉冲，用来控制晶闸管变流装置的上下各一只晶闸管。管变流装置的上下各一只晶闸管。KC04工作各点波形工作各点波形 l在在UT和和-15V电源作用下同步单元产生同电源作用下同步单元产生同步脉冲。步脉冲。lUT1低电平作为同步电压的过零标志。低电平作为同步电压的过零标志。l锯齿波

9、发生单元由内部三极管和外部锯齿波发生单元由内部三极管和外部R4、R5、C2和和-15V电源组成，在同步脉冲作电源组成，在同步脉冲作用下，产生锯齿波电压用下，产生锯齿波电压U4。l锯齿波电压经锯齿波电压经4脚输出，通过电阻脚输出，通过电阻R6、R7、R8和外接的偏移电压和外接的偏移电压UP、移相控制电、移相控制电压压UK叠加后由叠加后由9脚送入移相控制单元。脚送入移相控制单元。l外接阻容元件外接阻容元件R9、C3与内部三极管组成与内部三极管组成脉冲形成单元电路，产生一个宽度固定的脉冲形成单元电路，产生一个宽度固定的移相脉冲，其脉冲宽度由时间常数移相脉冲，其脉冲宽度由时间常数R9C3决定。决定。l

10、功率放大单元实现脉冲分选并进行功率功率放大单元实现脉冲分选并进行功率放大，在器件的放大，在器件的1脚和脚和15脚输出相位差脚输出相位差180o的两个驱动脉冲。的两个驱动脉冲。在多数晶闸管变流装置中，所产生的脉冲要经光耦在多数晶闸管变流装置中，所产生的脉冲要经光耦或变压器隔离后加到晶闸管门极和阴极之间。或变压器隔离后加到晶闸管门极和阴极之间。图图(a)为输入信号经光耦隔离后的驱动电路，光耦两侧为输入信号经光耦隔离后的驱动电路，光耦两侧为相互隔离的电源。图为相互隔离的电源。图(b)为脉冲变压器隔离驱动电路，它为脉冲变压器隔离驱动电路，它不但有隔离作用，也能实现阻抗的匹配。不但有隔离作用，也能实现阻

11、抗的匹配。4.数字式触发电路数字式触发电路5.以数字逻辑电路或微处理器为核心的触发脉冲产以数字逻辑电路或微处理器为核心的触发脉冲产生电路。生电路。目前多用单片机系统设计，原理如图。目前多用单片机系统设计，原理如图。2.1.2 门极可关断晶闸管门极驱动电路（门极可关断晶闸管门极驱动电路（电流驱动型电流驱动型）lGTO的的开通控制开通控制与普通晶闸管相似。与普通晶闸管相似。lGTO关断控制关断控制需施加负门极电流。需施加负门极电流。lGTO的门极驱动技术的门极驱动技术关键在于关断关键在于关断。1.GTO门极驱动特性门极驱动特性（1）GTO门极驱动电路结构门极驱动电路结构 GTO开通时，内部有正反馈

12、开通时，内部有正反馈过程，开通驱动功率较小；过程，开通驱动功率较小；在关断时，由于关断增益小，在关断时，由于关断增益小，门极关断负电流较大，关断电路门极关断负电流较大，关断电路功率很大；功率很大；门极反偏电路为门极提供反偏电压，能起到抗干扰，保门极反偏电路为门极提供反偏电压，能起到抗干扰，保证证GTO可靠阻断，提高其静态可靠阻断，提高其静态du/dt耐量的作用。耐量的作用。（2）GTO门极驱动信号波形门极驱动信号波形 IGF为开通驱动门极正向直流电流，为开通驱动门极正向直流电流，IGRM为关断驱动门极反向为关断驱动门极反向最大电流最大电流。门极开通信号电流波形和门极关断信号电流波形均要求前门极

13、开通信号电流波形和门极关断信号电流波形均要求前沿较陡、幅度较高、宽度要够、后沿要缓。沿较陡、幅度较高、宽度要够、后沿要缓。门极关断电流信号脉冲门极关断电流信号脉冲电流的幅度较大，电流的幅度较大，IGRM一般一般为为(1/3-1/5)IATO，与，与GTO关断增益有关。关断增益有关。2.GTO门极驱动类型门极驱动类型直接驱动直接驱动将驱动级的将驱动级的功率放大电路与功率放大电路与GTO门极门极直接相连，信号通过光耦或直接相连，信号通过光耦或其它隔离器件送入驱动电路，其它隔离器件送入驱动电路，实现实现GTO主电路和控制电路的电隔离。主电路和控制电路的电隔离。优点：优点：输出驱动脉冲参数调整方便，脉

14、冲波形好，不易产生输出驱动脉冲参数调整方便，脉冲波形好，不易产生门极振荡。门极振荡。缺点：缺点：驱动电路必须有独立的与控制系统隔离的工作电源，驱动电路必须有独立的与控制系统隔离的工作电源，功率放大元件电流大，功耗大，效率低。功率放大元件电流大，功耗大，效率低。间接驱动间接驱动将驱动电路通过脉冲变压器与将驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连。门极相连。优点：优点：不需要独立的电源，利用脉冲变压器的阻抗配合，不需要独立的电源，利用脉冲变压器的阻抗配合，减小驱动电路中功放元件的电流，同时脉冲变压器还能使减小驱动电路中功放元件的电流，同时脉冲变压器还能使GTO主电路与门极控制电路电隔离。主电路与门极

15、控制电路电隔离。缺点：缺点：门极脉冲波形前沿陡度差，前后沿有电压、电流门极脉冲波形前沿陡度差，前后沿有电压、电流寄生振荡，造成寄生振荡，造成GTO开通、关断不可靠。开通、关断不可靠。3.GTO门极驱动电路实例门极驱动电路实例图为脉冲变压器隔离的图为脉冲变压器隔离的GTO门极间接驱动开通关断电路。门极间接驱动开通关断电路。开通控制电路在开通触发信号作用下使晶体管开通控制电路在开通触发信号作用下使晶体管V1导通，导通，在脉冲变压器在脉冲变压器T1副边产生感应电压，经副边产生感应电压，经VD2二极管和门极串二极管和门极串联电阻联电阻RG1触发触发GTO导通。导通。在关断信号作用下，在关断信号作用下，

16、V2导通，在脉冲变压器导通，在脉冲变压器T2副边产生副边产生反向的感应电压，触发晶闸管反向的感应电压，触发晶闸管VT导通，给导通，给GTO门极施加反门极施加反向电压，强迫向电压，强迫GTO关断。关断。2.1.3 电力晶体管电力晶体管 基极驱动电路基极驱动电路（电流驱动全控型电流驱动全控型）基极驱动电路对基极驱动电路对器件工作时集电极电器件工作时集电极电压上升率压上升率du/dt、集、集电极电流上升率电极电流上升率di/dt、饱和压降和开关损耗饱和压降和开关损耗等有着直接影响。等有着直接影响。l过驱动可以降低饱和过驱动可以降低饱和压降，减小开通损耗，压降，减小开通损耗，但对关断不利，使关但对关断

17、不利，使关断时间延长，损耗增大。断时间延长，损耗增大。1.理想基极电流波形理想基极电流波形GTR开通时开通时基极驱动电流前沿的短时基极驱动电流前沿的短时过冲，对加速开通有利，但导过冲，对加速开通有利，但导通后应使其工作于准饱和状态，通后应使其工作于准饱和状态，以减少关断时载流子的复合时间。以减少关断时载流子的复合时间。关断时关断时提供瞬时的反向基极电流能加速关断过程。关断后，发提供瞬时的反向基极电流能加速关断过程。关断后，发射结维持一定的负偏压可以防止噪声信号引起的误触发，提射结维持一定的负偏压可以防止噪声信号引起的误触发，提高高GTR的的du/dt耐量。耐量。2.基极驱动电路的设计原则基极驱

18、动电路的设计原则 为使为使GTR开通时工作在饱和状态，其基极驱动电流开通时工作在饱和状态，其基极驱动电流IB与集电极最大电流与集电极最大电流ICmax满足以下关系：满足以下关系：3.GTR基极驱动电路基极驱动电路lGTR基极驱动电路种类很多，有直接驱动、光耦或脉冲基极驱动电路种类很多，有直接驱动、光耦或脉冲变压器隔离后间接驱动两类。变压器隔离后间接驱动两类。l按驱动电路构成形式可分为分立元件驱动电路、混合微按驱动电路构成形式可分为分立元件驱动电路、混合微膜组件驱动电路和专用集成驱动电路。膜组件驱动电路和专用集成驱动电路。抗饱和抗饱和（1）GTR基极隔离驱动电路基极隔离驱动电路 l图中图中VD1

19、、VD2、VD3构成抗饱和电路，当构成抗饱和电路，当GTR集电极电集电极电压低时，压低时，VD1导通，分走部分基极电流，使导通，分走部分基极电流，使GTR工作在临工作在临界饱和状态界饱和状态。l驱动信号经光耦隔离后送入功率放大驱动电路，功放采驱动信号经光耦隔离后送入功率放大驱动电路，功放采用推拉式互补输出。用推拉式互补输出。l当驱动信号高电平时当驱动信号高电平时光耦导通，正电源光耦导通，正电源+UCC经经R3、R5使使V1、V2导通，经导通，经R8、V2为为GTR提供正向基极电流，使提供正向基极电流，使GTR导通。导通。驱动信号低电平时驱动信号低电平时V1、V2截止，截止，V3经经R7、-UC

20、C导通，将发射结反偏，提供反导通，将发射结反偏，提供反向驱动电流使向驱动电流使GTR迅速截止。迅速截止。（2）集成基极驱动电路）集成基极驱动电路 集成基极驱动电路不但驱动电流波形好，而且还有过流集成基极驱动电路不但驱动电流波形好，而且还有过流保护、电源电压监测以及过热保护等多种保护功能。保护、电源电压监测以及过热保护等多种保护功能。lUAA4002内部以逻辑处理器为核心，输入接口通过内部以逻辑处理器为核心，输入接口通过SE端设端设置，可以接收电平和脉冲两种信号。置，可以接收电平和脉冲两种信号。l输出接口可以提供输出接口可以提供+0.5A和和-3A的驱动电流，该电流可通过的驱动电流，该电流可通过

21、外接二极管检测实现自动调节，还可根据需要外接晶体管扩外接二极管检测实现自动调节，还可根据需要外接晶体管扩大输出能力大输出能力。l该芯片保护功能强大，包括集电极电流过流保护、抗饱和、该芯片保护功能强大，包括集电极电流过流保护、抗饱和、导通时间间隔控制、电源电压监测、延时功能和热保护功能。导通时间间隔控制、电源电压监测、延时功能和热保护功能。例如法国例如法国THOMSON公司的公司的UAA40022.1.4 电力场效应晶体管栅极驱动电路（电力场效应晶体管栅极驱动电路（电压驱动型电压驱动型）功率功率MOSFET为单极型电压控制器件，输入阻抗很高。为单极型电压控制器件，输入阻抗很高。驱动只需适当的电压

22、信号，驱动电流很小，因此驱动电路驱动只需适当的电压信号，驱动电流很小，因此驱动电路简单，功耗很低。简单，功耗很低。1.功率功率MOSFET栅极驱动设计原则栅极驱动设计原则l栅极开通关断的动态过程中需要提供足够的驱动电流；栅极开通关断的动态过程中需要提供足够的驱动电流；l应按其容量大小选择驱动电路输出电阻应按其容量大小选择驱动电路输出电阻；l为了使功率为了使功率MOSFET可靠饱和导通，驱动脉冲电压可靠饱和导通，驱动脉冲电压应高于管子的开启电压，并在导通过程中保持高电压；应高于管子的开启电压，并在导通过程中保持高电压；l为了防止误导通，提高为了防止误导通，提高du/dt耐量，在管子截止时最耐量，

23、在管子截止时最好能提供负的栅源电压。好能提供负的栅源电压。2.功率功率MOSFET栅极驱动电流估算栅极驱动电流估算 设功率设功率MOSFET栅源极间电容栅源极间电容CGS，栅漏极间电容，栅漏极间电容CGD，器件饱和导通时栅源电压器件饱和导通时栅源电压uGS，器件阻断时漏极电压，器件阻断时漏极电压uDS。要求器件开通时间为要求器件开通时间为ts时，则开通驱动电流为：时，则开通驱动电流为：要求器件关断时间要求器件关断时间ts为时，则关断驱动电流为：为时，则关断驱动电流为：3.功率功率MOSFET栅极驱动电路栅极驱动电路l按驱动电路和器件连接方式分为直接驱动和间接驱动两类。按驱动电路和器件连接方式分

24、为直接驱动和间接驱动两类。l按驱动电路构成有分立元件驱动电路和集成驱动电路。按驱动电路构成有分立元件驱动电路和集成驱动电路。（1）双电源光耦隔离直接驱动电路）双电源光耦隔离直接驱动电路 l驱动信号高电平经光耦后传入直接驱动电路，通过比较器驱动信号高电平经光耦后传入直接驱动电路，通过比较器整形输出低电平，则整形输出低电平，则V2截止，截止，V1导通，导通，+UCC经栅极驱动电阻经栅极驱动电阻RG对功率对功率MOSFET栅极电容充电，使其导通。栅极电容充电，使其导通。l当驱动信号为低电平时，比较器输出高电平使当驱动信号为低电平时，比较器输出高电平使V2导通，导通，V1截止，栅极电容经驱动电阻截止，

25、栅极电容经驱动电阻RG和二极管对和二极管对-UCC放电，使功放电，使功率率MOSFET阻断。阻断。l功率功率MOSFET栅极并联电阻栅极并联电阻R可以提高管子可以提高管子du/dt耐量，驱耐量，驱动信号引出线应尽量短，并采用双绞线方式。动信号引出线应尽量短，并采用双绞线方式。（2）集成驱动器）集成驱动器M57918L 集成驱动器集成驱动器M57918L是一种混合集成驱动器，内部由自是一种混合集成驱动器，内部由自带光电耦合器的输入级，带光电耦合器的输入级，MOSFET中间放大级，功放输出级中间放大级，功放输出级电路构成。电路构成。2.1.5 绝缘栅双极型晶体管栅极驱动电路（绝缘栅双极型晶体管栅极

26、驱动电路（电压驱动型电压驱动型）l多采用专用的混合集成驱动器多采用专用的混合集成驱动器抗干扰能力强，速度快，抗干扰能力强，速度快，保护功能完善。保护功能完善。l内部主要由快速光耦隔离、放大电路、功放输出电路、过流保护电路内部主要由快速光耦隔离、放大电路、功放输出电路、过流保护电路和和5V基准电压源几部分组成。基准电压源几部分组成。以日以日本富本富士公士公司的司的EXB系列系列为例为例l只需外部提供只需外部提供+20V电源，内部自动产生电源，内部自动产生-5V偏压，通过外接快速二极管偏压，通过外接快速二极管VD可实现过流检测，当检测到过流信号后内部可实现慢速关断功能，过可实现过流检测，当检测到过

27、流信号后内部可实现慢速关断功能，过流信号也可通过外接光电耦合器送回控制电路。流信号也可通过外接光电耦合器送回控制电路。2.2 电力电子开关器件的缓冲电路电力电子开关器件的缓冲电路2.2.1 缓冲电路的作用和种类缓冲电路的作用和种类 电力电子开关器件开通时流过电流很大，阻断时承受电力电子开关器件开通时流过电流很大，阻断时承受的电压很高。在电力电子电路中附加各种缓冲电路，可以的电压很高。在电力电子电路中附加各种缓冲电路，可以减小各种应力的影响，可避免器件二次击穿，抑制电磁干减小各种应力的影响，可避免器件二次击穿，抑制电磁干扰，提高器件工作的安全可靠性。扰，提高器件工作的安全可靠性。l按照缓冲电路所

28、起的作用不同，缓冲电路可以分为按照缓冲电路所起的作用不同，缓冲电路可以分为开开通缓冲电路通缓冲电路和和关断缓冲电路关断缓冲电路。开通缓冲电路开通缓冲电路可以在器件主电路中串入电感来实现，主可以在器件主电路中串入电感来实现，主要防止器件开通时要防止器件开通时di/dt过大而损坏，也称为串联缓冲电过大而损坏，也称为串联缓冲电路。路。关断缓冲电路关断缓冲电路主要用来防止器件关断时主要用来防止器件关断时du/dt过高引起的过高引起的器件击穿和误触发，通常将器件击穿和误触发，通常将RC网络或网络或RCD网络并联在网络并联在器件主电极两端，也称为并联缓冲电路。器件主电极两端，也称为并联缓冲电路。2.2.2

29、 门极可关断晶闸管的缓冲电路门极可关断晶闸管的缓冲电路 GTO为全控型器件，工作频率比为全控型器件，工作频率比SCR高很多。其缓冲高很多。其缓冲电路不仅要起抑制电路不仅要起抑制di/dt和和du/dt的作用，同时还要能够减小的作用，同时还要能够减小开通关断损耗，特别是在关断时要起到抑制重加开通关断损耗，特别是在关断时要起到抑制重加du/dt，防，防止误触发的作用。止误触发的作用。1.缓冲电路的工作原理缓冲电路的工作原理开通缓冲电路开通缓冲电路关断缓冲电路关断缓冲电路2.缓冲电路参数估算缓冲电路参数估算（1）缓冲电感）缓冲电感LK。缓冲电感。缓冲电感LK与管子开通时允许承受的与管子开通时允许承受

30、的di/dt参数和直流电源电压参数和直流电源电压Ud有关，表示为：有关，表示为：（2）缓冲电容）缓冲电容CS。缓冲电容。缓冲电容CS与主电路分布电感与主电路分布电感LP和关和关断时阳极能承受的电压冲击断时阳极能承受的电压冲击U和阳极电流和阳极电流IA有关，其大小有关，其大小可由下式求得：可由下式求得：（3）缓冲电阻）缓冲电阻RS。缓冲电阻。缓冲电阻RS的作用是限制器件开通时的作用是限制器件开通时缓冲电容的放电电流，但要保证在管子导通时间内将缓冲缓冲电容的放电电流，但要保证在管子导通时间内将缓冲电容积累的电荷释放干净。其值可由下式估算：电容积累的电荷释放干净。其值可由下式估算：缓冲电阻缓冲电阻R

31、S上的功耗与其阻值大小无关，其功率损耗可由下上的功耗与其阻值大小无关，其功率损耗可由下式表示：式表示：（4）阻尼电阻）阻尼电阻RK。阻尼电阻。阻尼电阻RK的作用是在器件关断时，的作用是在器件关断时，将储存在缓冲电感将储存在缓冲电感LK中的磁场能消耗掉，其值通常小于缓中的磁场能消耗掉，其值通常小于缓冲电阻冲电阻RS，由选定的阻尼系数，由选定的阻尼系数近似估算：近似估算：阻尼电阻阻尼电阻RK上消耗的功率为：上消耗的功率为：3.缓冲电路的安装工艺缓冲电路的安装工艺（1）RS、CS、VDS关断缓冲电路应尽量靠近器件的主关断缓冲电路应尽量靠近器件的主电极，缩短连接导线，减小引线电感降低尖峰电压电极，缩短

32、连接导线，减小引线电感降低尖峰电压Up。（2）二极管）二极管VDS应选用快速二极管，电阻应选用快速二极管，电阻RS宜用无感电宜用无感电阻，电容阻，电容CS应选用无感电容。应选用无感电容。（3）安装时，不应将电容）安装时，不应将电容CS置于电阻置于电阻RS上方，以免工作上方，以免工作时电阻发热会影响电容。时电阻发热会影响电容。（4）缓冲电路元件焊接必须可靠，避免工作时发热引起）缓冲电路元件焊接必须可靠，避免工作时发热引起的脱焊，造成开关元件的损坏。的脱焊，造成开关元件的损坏。2.2.3 电力晶体管的缓冲电路电力晶体管的缓冲电路 电力晶体管电力晶体管GTR安全工作区较小，存在二次击穿现象。安全工作

33、区较小，存在二次击穿现象。其缓冲电路同样要起到抑制其缓冲电路同样要起到抑制di/dt和和du/dt，改变器件的开，改变器件的开关轨迹，减小开关损耗的作用。关轨迹，减小开关损耗的作用。l图（图（a）中电感）中电感LK起开通缓冲作用，用来限制起开通缓冲作用，用来限制GTR开通开通时时di/dt，减小开通损耗。，减小开通损耗。l电容电容CS和快速二极管和快速二极管DS组成关断缓冲电路，限制组成关断缓冲电路，限制GTR关断时集电极电压上升率关断时集电极电压上升率du/dt，减小关断损耗。，减小关断损耗。l电阻电阻RS提供缓提供缓冲电容的放电回冲电容的放电回路。路。l由图（由图（b）看出，）看出，缓冲电

34、路使电压缓冲电路使电压电流不会出现同电流不会出现同时达到最大值的时达到最大值的情况，降低了开情况，降低了开通关断瞬时功耗，通关断瞬时功耗，避免器件出现二避免器件出现二次击穿，可保证次击穿，可保证GTR工作在安全区内。工作在安全区内。2.2.4 功率功率MOSFET及及IGBT缓冲电路缓冲电路 功率功率MOSFET及及IGBT单管缓冲电路结单管缓冲电路结构如图，缓冲电路工作原理与构如图，缓冲电路工作原理与GTO、GTR缓冲电路原理相同。缓冲电路原理相同。2.3 电力电子开关器件的保护电路电力电子开关器件的保护电路2.3.1 电力电子开关器件过电压保护电力电子开关器件过电压保护 采用缓冲电路能抑制

35、动态过程中的过电压和过电流，减小采用缓冲电路能抑制动态过程中的过电压和过电流，减小开关损耗。但稳态时的过电压、过电流和过损耗同样影响开开关损耗。但稳态时的过电压、过电流和过损耗同样影响开关元件的安全运行。关元件的安全运行。1.产生过电压的原因产生过电压的原因（1）雷击、系统主电源分合闸和高压断路器动作引起的）雷击、系统主电源分合闸和高压断路器动作引起的冲击电压，也称浪涌电压，其持续时间一般在几微秒到冲击电压，也称浪涌电压，其持续时间一般在几微秒到几毫秒。几毫秒。（2）变流装置输出侧切断大的感性负载或在大电流下切）变流装置输出侧切断大的感性负载或在大电流下切断，引起输出侧的过电压。断，引起输出侧

36、的过电压。（3）电力电子器件换相时，突变的电流因线路电感和电）电力电子器件换相时，突变的电流因线路电感和电容的共同作用引起器件两端过电压。容的共同作用引起器件两端过电压。2.过电压的保护过电压的保护（1）缓冲吸收回路缓冲吸收回路用于吸收频用于吸收频率较高，持续时间很短的过电压。率较高，持续时间很短的过电压。如在器件主电极上安装缓如在器件主电极上安装缓冲电路，或在变压器二次侧冲电路，或在变压器二次侧并联并联RC吸收回路。吸收回路。（2）稳压元件吸收回路稳压元件吸收回路 将稳压管、硒堆或压敏电将稳压管、硒堆或压敏电阻并联在变流装置进线和出线端，利阻并联在变流装置进线和出线端，利用其击穿后电流大的特

37、点消耗冲击能用其击穿后电流大的特点消耗冲击能量。量。电压降低后，稳压元件自动电压降低后，稳压元件自动恢复高阻状态。恢复高阻状态。2.3.2 电力电子开关器件过电流保护电力电子开关器件过电流保护1.产生过电流的原因产生过电流的原因过电流可以分为过电流可以分为过载过载和和短路短路两种情况。两种情况。过载的主要原因：过载的主要原因：负载过载及交流电源电压过高、过负载过载及交流电源电压过高、过低或缺相。低或缺相。短路过流的主要原因：短路过流的主要原因：（1）变流装置中开关器件损坏、输出端线间短路和输出）变流装置中开关器件损坏、输出端线间短路和输出端对地短路。端对地短路。（2）驱动电路和控制系统故障引起

38、的驱动信号混乱，使）驱动电路和控制系统故障引起的驱动信号混乱，使（3）过电压引起的开关器件击穿造成的电路内部短路。）过电压引起的开关器件击穿造成的电路内部短路。开关器件一般允许过载时间较长（毫秒级）。短开关器件一般允许过载时间较长（毫秒级）。短路过流允许时间很短（微秒级）。路过流允许时间很短（微秒级）。变流装置主电路桥臂直通短路。变流装置主电路桥臂直通短路。2.过电流保护的常用方法过电流保护的常用方法 电力电子开关器件体积小，热容量小，过电流能力通电力电子开关器件体积小，热容量小，过电流能力通常较差，当发生过电流时，器件损耗增大使结温迅速升高，常较差，当发生过电流时，器件损耗增大使结温迅速升高

39、，因此过电流的保护应从因此过电流的保护应从热保护热保护和和电保护电保护两方面考虑。两方面考虑。开关器件的过热保护开关器件的过热保护可以利用温度传感器检测器可以利用温度传感器检测器件外壳温度，当过温时封锁器件驱动信号或使主电路件外壳温度，当过温时封锁器件驱动信号或使主电路跳闸来实现。跳闸来实现。这种方法适用于过载水平较低的长期过流情况，这种方法适用于过载水平较低的长期过流情况，对短路过流几乎没有作用。对短路过流几乎没有作用。开关器件的电保护开关器件的电保护通过检测过流信号直接封锁驱通过检测过流信号直接封锁驱动脉冲或使主电路跳闸。动脉冲或使主电路跳闸。这种保护方法反应时间最短，尤其适用于工作这种保

40、护方法反应时间最短，尤其适用于工作速度较高的开关器件。速度较高的开关器件。电力电子开关器件的保护还可分为单个器件保护和变电力电子开关器件的保护还可分为单个器件保护和变流装置保护两种方法。流装置保护两种方法。3.电力电子开关器件的过流保护方法电力电子开关器件的过流保护方法（1）状态识别过电流保护法）状态识别过电流保护法 通过识别电力电子开关器件运行中的参数状态，通过识别电力电子开关器件运行中的参数状态，是判断器件是是判断器件是 否过流的最有效方法。否过流的最有效方法。通态压降识别法：通态压降识别法：各种器件主要用于识别的参数是通态各种器件主要用于识别的参数是通态 压降压降 这种方法对大电流下开关

41、器件的短路保护具有通用性。这种方法对大电流下开关器件的短路保护具有通用性。缺点：缺点：存在存在“保护盲区保护盲区”，即在器件开通的瞬间保护电，即在器件开通的瞬间保护电路不能动作，只有器件开通几微秒后，保护电路才投入路不能动作，只有器件开通几微秒后，保护电路才投入工作，造成器件短路开通时，电路灵敏度低。工作，造成器件短路开通时，电路灵敏度低。注意注意注意注意 SCR不具有关断能力，而不具有关断能力，而GTO过流后门极负脉过流后门极负脉冲也不能将其关断，因此通态压降识别法只能用来冲也不能将其关断，因此通态压降识别法只能用来做做SCR和和GTO的过流检测，而不能像的过流检测，而不能像GTR、功率、功

42、率MOSFET和和IGBT那样用门极信号进行关断。那样用门极信号进行关断。图图(a)中，在大电流下通态饱和压降中，在大电流下通态饱和压降UCE和集电极电流和集电极电流IC近近似呈线性关系，识别似呈线性关系，识别UCE的大小即可判断其集电极电流的大小。的大小即可判断其集电极电流的大小。图图(b)为为EXB841IGBT专用驱动保护原理电路专用驱动保护原理电路 过电流保护电路过电流保护电路 驱动模块驱动模块脚外接快速二极管脚外接快速二极管VD与与IGBT集电极相连，集电极相连，通过检测通过检测UCE电压的高低来判断是否短路过流。电压的高低来判断是否短路过流。基极电压识别法基极电压识别法l当当GTR

43、短路下开通时，监测基极电压比监测集电极电压效短路下开通时，监测基极电压比监测集电极电压效果要好，更容易快速确认故障。果要好，更容易快速确认故障。l如图如图(a)开关器件开关器件GTR的基极电压的基极电压UBE在集电极电流在集电极电流IC较小较小时变换很快。时变换很快。l图（图（b）中，）中，UBE随随IC的增大而升高，当大于设定的参考的增大而升高，当大于设定的参考电压电压UR时，比较器输出低电平使功放电路中时，比较器输出低电平使功放电路中V2截止，截止，V3导通，关断导通，关断GTR。基极电压识别法的缺点：基极电压识别法的缺点：在轻微过载时，灵敏度差。在轻微过载时，灵敏度差。（2）桥臂互锁保护

44、法）桥臂互锁保护法 l主要用于桥式逆变器中一个桥臂的上下两只开关器件驱动主要用于桥式逆变器中一个桥臂的上下两只开关器件驱动信号的互锁信号的互锁。l可以解决由于驱动可以解决由于驱动脉冲死区时间过短、脉冲死区时间过短、关断时间过长、驱动关断时间过长、驱动信号失误和开关器件信号失误和开关器件损坏所造成的桥臂直损坏所造成的桥臂直通问题。通问题。l互锁保护的核心是互锁保护的核心是要检测出上下两只开要检测出上下两只开关器件的开通和关断关器件的开通和关断情况，当一只器件关断时，另外一只才可以触发导通。情况，当一只器件关断时，另外一只才可以触发导通。当一个桥臂上管子有电流时，通过逻辑电路封锁另一当一个桥臂上管

45、子有电流时，通过逻辑电路封锁另一桥臂管子的驱动信号，保证每一时刻只有一只管子导通。桥臂管子的驱动信号，保证每一时刻只有一只管子导通。采用桥臂互锁保护法可以提高系统可靠性，还可以对采用桥臂互锁保护法可以提高系统可靠性，还可以对系统进行动态调整，提高其工作速度。系统进行动态调整，提高其工作速度。（3）LEM模块检测保护法模块检测保护法 lLEM模块是一种磁场平衡式电压、电流传感器，也称霍模块是一种磁场平衡式电压、电流传感器，也称霍尔元件。尔元件。l能够检测直流、交流和脉冲形式的电压或电流信号，其能够检测直流、交流和脉冲形式的电压或电流信号，其二次侧输出有电压输出型和电流输出型两种。二次侧输出有电压

46、输出型和电流输出型两种。lLEM模块线性度好，安装方便，与被测电路绝缘，是目模块线性度好，安装方便，与被测电路绝缘，是目前变流装置中常用的电流和电压检测元件。前变流装置中常用的电流和电压检测元件。LEM模块内部电路主要由一次侧电路、聚磁环、霍尔传模块内部电路主要由一次侧电路、聚磁环、霍尔传感器、二次绕组和放大电路等组成。感器、二次绕组和放大电路等组成。图（图（b）LEM模块电流检测的一种使用方法。模块电流检测的一种使用方法。优点：检测速度快，且与主电路实现电隔离。优点：检测速度快，且与主电路实现电隔离。（a）（b）2.3.3 变流装置的过电流保护变流装置的过电流保护1.快速熔断器保护法快速熔断

47、器保护法 开关元件开关元件SCR、GTO有较强的浪涌能力，允许短路时间在有较强的浪涌能力，允许短路时间在毫秒级，其变流装置在一定条件下可用快速熔断器进行保护。毫秒级，其变流装置在一定条件下可用快速熔断器进行保护。2.快速过流开关保护法快速过流开关保护法 快速熔断器是一种一次性使用保护元件，它的频繁动快速熔断器是一种一次性使用保护元件，它的频繁动作将增加系统运行费用。一般可以在快速熔断器保护动作作将增加系统运行费用。一般可以在快速熔断器保护动作之前设置其它的过电流保护方法。通过检测变流装置电流之前设置其它的过电流保护方法。通过检测变流装置电流信号，当电流超过设置的保护电流值时，开关动作，切断信号

48、，当电流超过设置的保护电流值时，开关动作，切断输入和输出回路。输入和输出回路。3.撬杠保护法撬杠保护法 由于由于GTR、功率、功率MOSFET和和IGBT等器件允许短路时间一等器件允许短路时间一般在微秒级，动作时间在毫秒级的快速过流开关和快速熔断般在微秒级，动作时间在毫秒级的快速过流开关和快速熔断器很难对其进行保护。撬杠保护法是常用于器很难对其进行保护。撬杠保护法是常用于GTR、GTO和和IGBT中大容量逆变器的非熔断保护方法。中大容量逆变器的非熔断保护方法。快速熔断器保护法、快速过流开关保护法和撬杠保护快速熔断器保护法、快速过流开关保护法和撬杠保护法在使用中可以相互结合，通过设定不同的保护动

49、作级别法在使用中可以相互结合，通过设定不同的保护动作级别实现分层次保护。实现分层次保护。2.3.4 电力电子开关器件使用中的门极保护电力电子开关器件使用中的门极保护 当开关器件发生过流损坏当开关器件发生过流损坏后，高压进入门极驱动电路，后，高压进入门极驱动电路，会引起门极控制低压电路的损会引起门极控制低压电路的损坏，通过设置相应的保护电路坏，通过设置相应的保护电路可以起到保护门极电路的作用。可以起到保护门极电路的作用。l将快速熔断器串连在门极将快速熔断器串连在门极驱动电路输出端与功率器件驱动电路输出端与功率器件控制极之间，当过电流时，门极电路能尽快与器件控制极控制极之间，当过电流时，门极电路能

50、尽快与器件控制极断开；断开；l在门极电路输出端并联双向稳压二极管，将门极电压在门极电路输出端并联双向稳压二极管，将门极电压钳位在安全电压范围以内。钳位在安全电压范围以内。2.4.1 电力电子开关器件的串联电力电子开关器件的串联目的：目的：当单个器件的额定电压达不到实际应用要求时，可当单个器件的额定电压达不到实际应用要求时，可以串联。以串联。问题：问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，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。使器件电压分配不均匀。l动态不均压：动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。的不均压。l静态不均压