五电力电子器件.ppt
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1、会计学1五五 电力电力(dinl)电子器件电子器件第一页,共45页。4.4 4.4 电力电子器件驱动电路电力电子器件驱动电路电力电子器件驱动电路电力电子器件驱动电路(dinl)(dinl)概概概概述述述述驱驱动动(q(q dndn)电电路路还还要要提提供供控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的电电气气隔隔离离环环节节,一一般采用光隔离或磁隔离般采用光隔离或磁隔离光隔离一般采用光耦合器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磁隔离的元件通常是脉冲变压器图图1-25 1-25 光耦合器的类型及接法光耦合器的类型及接法a)a)普通型普通型 b)b)高速型高速型 c)c)高传输比型高传
2、输比型第1页/共44页第二页,共45页。第2页/共44页第三页,共45页。第3页/共44页第四页,共45页。4.4 4.4 电力电子器件驱动电力电子器件驱动电力电子器件驱动电力电子器件驱动(q dn(q dn)电路概电路概电路概电路概述述述述双列直插式集成电路及双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也将光耦隔离电路也集成在内的混合集集成在内的混合集成电路;成电路;为达到参数最佳配合,为达到参数最佳配合,首选所用器件生产首选所用器件生产厂家专门开发厂家专门开发(kif)(kif)的集成驱动电路。的集成驱动电路。驱动电路可以采用分立元件来构成,目前(mqin)的趋势是采用专用集成驱动电路:第4页/共4
3、4页第五页,共45页。4.4 晶闸管的触发晶闸管的触发(chf)电路电路作作作作用用用用:产产产产生生生生符符符符合合合合要要要要求求求求的的的的门门门门极极极极触触触触发发发发脉脉脉脉冲冲冲冲,保保保保证证证证晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管在在在在需需需需要要要要的的的的时时时时刻由阻断转为导通刻由阻断转为导通刻由阻断转为导通刻由阻断转为导通广义上讲,还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路广义上讲,还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路广义上讲,还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路广义上讲,还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路晶闸管触发电路应满足下列要求:晶闸管触发电路应满足下列要求:
4、晶闸管触发电路应满足下列要求:晶闸管触发电路应满足下列要求:触触触触发发发发脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的宽宽宽宽度度度度应应应应保保保保证证证证晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管可可可可靠靠靠靠导导导导通通通通(结结结结合合合合擎擎擎擎住住住住电电电电流流流流(dinli)(dinli)的概念)的概念)的概念)的概念)触发脉冲应有足够的幅度触发脉冲应有足够的幅度触发脉冲应有足够的幅度触发脉冲应有足够的幅度不不不不超超超超过过过过门门门门极极极极电电电电压压压压、电电电电流流流流(dinli)(dinli)和和和和功功功功率率率率定定定定额额额额,且且且且在在在在可可可可靠靠靠靠触触触触发发发发区域之内区域之
5、内区域之内区域之内应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离第5页/共44页第六页,共45页。4.4 4.4 晶闸管的触发晶闸管的触发晶闸管的触发晶闸管的触发(chf)(chf)电路电路电路电路n n晶闸管触发电路的原理解释晶闸管触发电路的原理解释(jish)(jish):n nV1V1、V2V2构成脉冲放大环节(构成脉冲放大环节(V1V1和和V2V2接成达林顿结构);接成达林顿结构);n n脉冲变压器脉冲变压器TMTM和附属电路
6、构成脉冲输出环节,这里利用了脉冲变压器原边的电压等于和附属电路构成脉冲输出环节,这里利用了脉冲变压器原边的电压等于电感与电流变化率的乘积的原理在副边产生了触发脉冲开始的大电流;电感与电流变化率的乘积的原理在副边产生了触发脉冲开始的大电流;n nV1V1、V2V2导通时,通过脉冲变压器向晶闸管的导通时,通过脉冲变压器向晶闸管的GG和和K K之间输出触发脉冲;之间输出触发脉冲;n nVD1VD1和和R3R3是为了是为了V1V1、V2V2由导通变为截止时脉冲变压器由导通变为截止时脉冲变压器TMTM释放其储存的能量而设计。在释放其储存的能量而设计。在以后的电路中会多次出现这种电路的使用。以后的电路中会
7、多次出现这种电路的使用。图1-26理想的晶闸管触发脉冲(michng)电流波形t1t2脉冲(michng)前沿上升时间(1s)t1t3强脉冲(michng)宽度IM强脉冲(michng)幅值(3IGT5IGT)t1t4脉冲(michng)宽度I脉冲(michng)平顶幅值(1.5IGT2IGT)图1-27 常见的晶闸管触发电路第6页/共44页第七页,共45页。4.5 4.5 典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件(qjin)(qjin)的驱动电的驱动电的驱动电的驱动电路路路路1.1.电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路GTOGTOGTOGTO的开通控制与普通晶闸管
8、相似,但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高,且一般需在整个导通期间的开通控制与普通晶闸管相似,但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高,且一般需在整个导通期间(qjin)(qjin)施加正门极电流施加正门极电流使使GTOGTO关断需施加负门极电流,对其幅值和陡度的要求更高,关断后还应在门阴极施加约关断需施加负门极电流,对其幅值和陡度的要求更高,关断后还应在门阴极施加约5V5V的负偏压以提高抗干扰能力的负偏压以提高抗干扰能力图图1-281-28推荐的推荐的GTOGTO门极门极电压电流电压电流(dinli)(dinli)波形波形5V的负偏压第7页/共44页第八页,共45页。4.5 4.5 典型全控型器件的驱动典型
9、全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动(q dn(q dn)电路电路电路电路 GTOGTO驱驱动动电电路路通通常常包包括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和和门门极极反反偏偏电电路路三三部部分分,可可分分为为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式和直接耦合式两种类型式和直接耦合式两种类型 直直接接耦耦合合式式驱驱动动电电路路可可避避免免电电路路内内部部的的相相互互干干扰扰(gnr(gnr o)o)和和寄寄生生振振荡荡,可可得得到到较较陡陡的的脉脉冲冲前前沿沿,因因此此目前应用较广,但其功耗大,效率较低目前应用较广,但其功耗大,效率较低第8页/共44页第九页,共45页
10、。4.5 4.5 典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件(qjin)(qjin)的驱动的驱动的驱动的驱动电路电路电路电路a)直接耦合式驱动电路b)脉冲变压器耦合式驱动电路a)为一种直接耦合式门极驱动电路。电路采用(ciyng)半桥结构,通过C1和C2分压,为GTO的阴极提供零电位。控制信号uon使得V1导通,为GTO提供触发电流;而关断信号uoff使得V2导通,C2的电压放电产生关断负电流使GTO关断。这种电路结构简单,有较强的关断能力。b)为最简单的脉冲变压器耦合门极驱动电路,当驱动晶体管V导通时,关断GTO。V关断时,利用变压器中贮能使GTO开通。这个电路最大的特点是简单
11、且效率高。但由于开通仅依靠变压器在关断过程中存贮的能量对大容量GTO不太适合。第9页/共44页第十页,共45页。4.5 4.5 典型全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动(q dn(q dn)电路电路电路电路 直接耦合式直接耦合式直接耦合式直接耦合式GTOGTO驱动电路:驱动电路:驱动电路:驱动电路:二二二二极极极极管管管管VD1VD1和和和和电电电电容容容容C1C1提提提提供供供供+5V+5V电压电压电压电压 VD2VD2、VD3VD3、C2C2、C3C3构构构构成成成成倍倍倍倍压压压压整流电路提供整流电路提供整流电路提供整流电路提供+15V+15V电压
12、电压电压电压 VD4VD4和电容和电容和电容和电容C4C4提供提供提供提供-15V-15V电压电压电压电压 V1V1开开开开通通通通时时时时,输输输输出出出出(shch)(shch)正正正正强强强强脉冲脉冲脉冲脉冲 V2V2开开开开通通通通时时时时输输输输出出出出(shch)(shch)正正正正脉脉脉脉冲冲冲冲平顶部分平顶部分平顶部分平顶部分 V2V2关关关关 断断断断 而而而而 V3V3开开开开 通通通通 时时时时 输输输输 出出出出(shch)(shch)负脉冲负脉冲负脉冲负脉冲 V3V3关关关关断断断断后后后后R3R3和和和和R4R4提提提提供供供供门门门门极极极极负负负负偏偏偏偏压压压
13、压图1-29典型的直接(zhji)耦合式GTO驱动电路BAoC第10页/共44页第十一页,共45页。5.1 典型典型(dinxng)全控型器件的全控型器件的驱动电路驱动电路GTRGTR开开开开通通通通驱驱驱驱动动动动电电电电流流流流应应应应使使使使GTRGTR处处处处于于于于准准准准饱饱饱饱和和和和导导导导通通通通状态,使之不进入放大区和深饱和区状态,使之不进入放大区和深饱和区状态,使之不进入放大区和深饱和区状态,使之不进入放大区和深饱和区关关关关断断断断GTRGTR时时时时,施施施施加加加加一一一一定定定定的的的的负负负负基基基基极极极极电电电电流流流流有有有有利利利利于于于于减减减减小小小
14、小关关关关断断断断时时时时间间间间和和和和关关关关断断断断损损损损耗耗耗耗,关关关关断断断断后后后后同同同同样样样样(tngyng)(tngyng)应应应应在在在在基基基基射射射射极极极极之之之之间间间间施施施施加加加加一一一一定幅值(定幅值(定幅值(定幅值(6V6V左右)的负偏压左右)的负偏压左右)的负偏压左右)的负偏压图图图图1-301-30理想的理想的理想的理想的GTRGTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形基极驱动电流波形基极驱动电流波形第11页/共44页第十二页,共45页。5.1 典型典型(dinxng)全控型器件的全控型器件的驱动电路驱动电路n nGTRGTR的一种驱动电路,的一种驱
15、动电路,包括电气隔离包括电气隔离(gl)(gl)和晶和晶体管放大电路两部分体管放大电路两部分n n当当V1V1导通时,导通时,V2V2导通使导通使V3V3截止,则截止,则V4V4和和V5V5组成组成的达林顿电路工作,对的达林顿电路工作,对V V基极注入驱动电流,使基极注入驱动电流,使V V导通;当导通;当V1V1截止时,截止时,V3V3导通使导通使V6V6导通,导通,V5V5截止,截止,则则V V截止。截止。vC2为加速开通过程的电容。开通时,R5被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v GTR目前的驱动也使用集成(j chn)驱动电路,如三菱公司的M57215BL。第1
16、2页/共44页第十三页,共45页。5.1 典型典型(dinxng)全控型器件的全控型器件的驱动电路驱动电路 2.2.电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路 栅栅栅栅源源源源间间间间、栅栅栅栅射射射射间间间间有有有有数数数数千千千千皮皮皮皮法法法法的的的的电电电电容容容容,为为为为快快快快速速速速建建建建立立立立(jinl)(jinl)驱驱驱驱动动动动电电电电压压压压,要求驱动电路输出电阻小要求驱动电路输出电阻小要求驱动电路输出电阻小要求驱动电路输出电阻小 使使使使MOSFETMOSFET开开开开通通通通的的的的驱驱驱驱动动动动电电电电压
17、压压压一一一一般般般般101015V15V,使使使使IGBTIGBT开开开开通通通通的的的的驱驱驱驱动动动动电压一般电压一般电压一般电压一般151520V20V 关关关关断断断断时时时时施施施施加加加加一一一一定定定定幅幅幅幅值值值值的的的的负负负负驱驱驱驱动动动动电电电电压压压压(一一一一般般般般取取取取 -5-5-15V-15V)有有有有利利利利于于于于减减减减小关断时间和关断损耗小关断时间和关断损耗小关断时间和关断损耗小关断时间和关断损耗 在在在在栅栅栅栅极极极极串串串串入入入入一一一一只只只只低低低低值值值值电电电电阻阻阻阻(数数数数十十十十欧欧欧欧左左左左右右右右)可可可可以以以以减
18、减减减小小小小寄寄寄寄生生生生振振振振荡荡荡荡,该该该该电电电电阻阻阻阻阻阻阻阻值值值值应应应应随随随随被被被被驱驱驱驱动动动动器器器器件件件件电电电电流流流流额额额额定定定定值值值值的的的的增增增增大大大大而而而而减减减减小小小小。数数数数值值值值较较较较小小小小的的的的栅栅栅栅极极极极电电电电阻阻阻阻能能能能加加加加快快快快栅栅栅栅极极极极电电电电容容容容的的的的充充充充放放放放电电电电,从从从从而而而而减减减减小小小小开开开开关关关关时时时时间间间间和和和和开开开开关关关关损损损损耗耗耗耗,但但但但与与与与此此此此同同同同时时时时也也也也降降降降低低低低了了了了栅栅栅栅极极极极的的的的抗
19、抗抗抗噪噪噪噪声声声声能能能能力力力力,并并并并可可可可能能能能导导导导致致致致寄寄寄寄生生生生电电电电感产生振荡。感产生振荡。感产生振荡。感产生振荡。第13页/共44页第十四页,共45页。5.1 典型典型(dinxng)全控型器件的全控型器件的驱动电路驱动电路电电电电力力力力MOSFETMOSFET的的的的一一一一种种种种驱驱驱驱动动动动电电电电路路路路:电电电电气气气气(dinq)(dinq)隔隔隔隔离离离离和和和和晶晶晶晶体体体体管管管管放放放放大大大大电电电电路路路路两部分两部分两部分两部分无无无无输输输输入入入入信信信信号号号号时时时时高高高高速速速速放放放放大大大大器器器器A A输
20、输输输出出出出负负负负电平电平电平电平,V3,V3导通输出负驱动电压导通输出负驱动电压导通输出负驱动电压导通输出负驱动电压当当当当有有有有输输输输入入入入信信信信号号号号时时时时A A输输输输出出出出正正正正电电电电平平平平,V2V2导通输出正驱动电压导通输出正驱动电压导通输出正驱动电压导通输出正驱动电压 图1-32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(shch)最大脉冲电流为+2A和-3A,输出(shch)驱动电压+15V和-10V。第14页/共44页第十五页,共45页。5.1 典型全控型器件
21、典型全控型器件(qjin)的驱动电路的驱动电路n nIGBTIGBT的驱动的驱动n n可使用分立元件组成驱动电路,也可使用可使用分立元件组成驱动电路,也可使用IGBTIGBT专用集成驱动专用集成驱动电路。电路。IGBTIGBT专用集成驱动电路可靠性高、体积小,是专用于专用集成驱动电路可靠性高、体积小,是专用于IGBTIGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路(jchng-(jchng-dinl)dinl),主要有富士公司的,主要有富士公司的EXB8XXEXB8XX系列和夏普公司的系列和夏普公司的PC929PC929等等 。EXB8XX系列IGBT专
22、用(zhunyng)集成驱动电路采用单列直插式封装,使用单电源20V供电,在输出脚3和1间产生约15V的导通驱动电压,而通过内部稳压管在输出脚1和9间产生约-5V的关断偏压。其内置过流保护电路,可通过检测IGBT在导通过程中的饱和压降来实施对IGBT的过流保护,同时提供过流检测输出信号,便于外部电路采集。由于其内部集成了功率放大电路,在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。第15页/共44页第十六页,共45页。5.1 5.1 典型全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动典型全控型器件的驱动(q(q dndn)电路电路电路电路 IGBT驱动电路的应用(yngyng)电压电流范围标
23、准型驱动电路(dinl)信号延迟时间为4s,最大运行频率为10kHz;高速型驱动电路(dinl)信号最大延迟时间为1.5s,最大运行频率为40kHz。第16页/共44页第十七页,共45页。5.2 电力电子器件电力电子器件(din z q jin)的保护的保护n n 5.2.1 过电压的产生及过电压保护(boh)n n 5.2.2 过电流保护(boh)n n 5.2.3 缓冲电路(Snubber Circuit)第17页/共44页第十八页,共45页。5.2.1 5.2.1 过电压的产生过电压的产生过电压的产生过电压的产生(ch(ch nshng)nshng)及过电及过电及过电及过电压保护压保护压
24、保护压保护电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能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和内因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1)(1)操作过电压:由分闸、合闸等开关操作引起操作过电压:由分闸、合闸等开关操作引起操作过电压:由分闸、合闸等开关操作引起操作过电压:由分闸、合闸等开关操作引起 (2)(2)雷击过电压:由雷击引起雷击过电压:由雷击引
25、起雷击过电压:由雷击引起雷击过电压: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内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 (1)(1)换换换换相相相相过过过过电电电电压压压压:晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管或或或或与与与与全全全全控控控控型型型型器器器器件件件件反反反反并并并并联联联联的的的的二二二二极极极极管管管管在在在在换换换换相相相相结结结结束束束束后后后后不不不不能能能能立立立立刻刻刻刻恢恢恢恢复复复复阻阻阻阻断断断断,因因因因而而而而有有有有较较较较大大大大的的的的反反反反
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