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第1章第1页 1 7电力电子器件器件的保护 1 7电力电子器件器件的保护1 7 1过电压的产生及过电压保护1 7 2过电流保护1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 第1章第2页 1 7电力电子器件器件的保护 1 7 1过电压的产生及过电压保护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主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 1 操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起 2 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 1 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结束后不能立刻恢复阻断 因而有较大的反向电流流过 当恢复了阻断能力时 该反向电流急剧减小 会由线路电感在器件两端感应出过电压 2 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 第1章第3页 1 7 1过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施图1 34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为抑制内因过电压的措施 属于缓冲电路范畴 第1章第4页 1 7 1过电压的产生及过电压保护 外因过电压抑制措施中 RC过电压抑制电路最为常见 典型联结方式见图1 35RC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图1 35RC过电压抑制电路联结方式a 单相b 三相 第1章第5页 1 7 1过电压的产生及过电压保护 大容量电力电子装置可采用图1 36所示的反向阻断式RC电路图1 36反向阻断式过电压抑制用RC电路保护电路参数计算可参考相关工程手册其他措施 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 第1章第6页 1 7 2过电流保护 过电流 过载和短路两种情况常用措施 图1 37 快速熔断器 直流快速断路器和过电流继电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1 37过电流保护措施及配置位置 第1章第7页 1 7 2过电流保护 快速熔断器电力电子装置中最有效 应用最广的一种过电流保护措施选择快熔时应考虑 1 电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定 2 电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定 3 快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值 第1章第8页 1 7 2过电流保护 4 为保证熔体在正常过载情况下不熔化 应考虑其时间 电流特性快熔对器件的保护方式 全保护和短路保护两种全保护 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方式 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 很难用快熔保护 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 第1章第9页 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 缓冲电路 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将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 复合缓冲电路其他分类法 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 第1章第10页 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 缓冲电路作用分析无缓冲电路 V开通时电流迅速上升 di dt很大关断时du dt很大 并出现很高的过电压有缓冲电路V开通时 Cs通过Rs向V放电 使iC先上一个台阶 以后因有Li iC上升速度减慢V关断时 负载电流通过VDs向Cs分流 减轻了V的负担 抑制了du dt和过电压 图1 38di dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a 电路b 波形 第1章第11页 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 关断时的负载曲线无缓冲电路时 uCE迅速升 L感应电压使VD通 负载线从A移到B 之后iC才下降到漏电流的大小 负载线随之移到C有缓冲电路时 Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降 负载线经过D到达C负载线ADC安全 且经过的都是小电流或小电压区域 关断损耗大大降低图1 39关断时的负载线 第1章第12页 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 充放电型RCD缓冲电路 图1 38 适用于中等容量的场合图1 40示出另两种 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1 40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 第1章第13页 1 7 3缓冲电路 SnubberCircuit 缓冲电路中的元件选取及其他注意事项Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册VDs必须选用快恢复二极管 额定电流不小于主电路器件的1 10尽量减小线路电感 且选用内部电感小的吸收电容中小容量场合 若线路电感较小 可只在直流侧设一个du dt抑制电路对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容晶闸管在实用中一般只承受换相过电压 没有关断过电压 关断时也没有较大的du dt 一般采用RC吸收电路即可 第1章第14页 1 8电力电子器件器件的串联和并联使用 1 8 1晶闸管的串联1 8 2晶闸管的并联1 8 3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点 第1章第15页 1 8 1晶闸管的串联目的 当晶闸管额定电压小于要求时 可以串联问题 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 各器件分压不等承受电压高的器件首先达到转折电压而导通 使另一个器件承担全部电压也导通 失去控制作用反向时 可能使其中一个器件先反向击穿 另一个随之击穿 1 8电力电子器件器件的串联和并联使用 第1章第16页 1 8 1晶闸管的串联 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 反向电阻小得多图1 41晶闸管的串联a 伏安特性差异b 串联均压措施 第1章第17页 1 8 1晶闸管的串联 动态均压措施动态不均压 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上的差异 第1章第18页 1 8 2晶闸管的并联 目的 多个器件并联来承担较大的电流问题 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 第1章第19页 1 8 3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点 电力MOSFET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并联运行的特点在1 2或1 3额定电流以下的区段 通态压降具有负的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 第1章第20页 本章小结 主要内容全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构 工作原理 基本特性和主要参数等集中讨论电力电子器件的驱动 保护和串 并联使用电力电子器件类型归纳单极型 电力MOSFET和SIT 图1 42电力电子器件分类 树 第1章第21页 本章小结 双极型 电力二极管 晶闸管 GTO GTR和SITH复合型 IGBT和MCT电压驱动型 单极型器件和复合型器件 双极型器件中的SITH特点 输入阻抗高 所需驱动功率小 驱动电路简单 工作频率高电流驱动型 双极型器件中除SITH外特点 具有电导调制效应 因而通态压降低 导通损耗小 但工作频率较低 所需驱动功率大 驱动电路较复杂 第1章第22页 本章小结 当前的格局 IGBT为主体 第四代产品 制造水平2 5kV 1 8kA 兆瓦以下首选 不断发展 与IGCT等新器件激烈竞争 试图在兆瓦以上取代GTOGTO 兆瓦以上首选 制造水平6kV 6kA光控晶闸管 功率更大场合 8kV 3 5kA 装置最高达300MVA 容量最大电力MOSFET 长足进步 中小功率领域特别是低压 地位牢固 第1章第23页 图1 1电力电子器件在实际应用中的系统组成 返回 第1章第24页 图1 2电力二极管的外形 结构和电气图形符号 外形 结构 电气图形符号 返回 第1章第25页 图1 3PN结的形成 返回 第1章第26页 图1 4电力二极管的伏安特性 返回 第1章第27页 图1 5电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置 返回 第1章第28页 图1 6晶闸管的外形 结构和电气图形符号 外形 结构 电气图形符号 返回 第1章第29页 图1 7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 双晶体管模型 工作原理 返回 第1章第30页 图1 8晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 返回 第1章第31页 图1 9晶闸管的开通和关断过程波形 返回 第1章第32页 图1 10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 电气图形符号 伏安特性 返回 第1章第33页 图1 11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 电气图形符号 伏安特性 返回 第1章第34页 图1 12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 电气图形符号 伏安特性 返回 第1章第35页 图1 13GTO的内部结构和电气图形符号 c 电气图形符号 a 各单元的阴极 门极间隔排列的图形 b 并联单元结构断面示意图 返回 第1章第36页 图1 14GTO的开通和关断过程电流波形 返回 第1章第37页 图1 15GTR的结构 电气图形符号和内部载流子的流动 内部结构断面示意图 电气图形符号 内部载流子的流动 返回 第1章第38页 图1 16共发射极接法时GTR的输出特性 返回 第1章第39页 图1 17GTR的开通和关断过程电流波形 返回 第1章第40页 图1 18GTR的安全工作区 返回 第1章第41页 图1 19电力MOSFET的结构和电气图形符号 内部结构断面示意图 电气图形符号 返回 第1章第42页 图1 20电力MOSFET的转移特性和输出特性 转移特性 输出特性 返回 第1章第43页 图1 21电力MOSFET的开关过程 测试电路 开关过程波形 up 脉冲信号源 Rs 信号源内阻 返回 RG 栅极电阻 RL 负载电阻 RF 检测漏极电流 第1章第44页 图1 22IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号 返回 内部结构断面示意图 简化等效电路 电气图形符号 第1章第45页 图1 23IGBT的转移特性和输出特性 转移特性 输出特性 返回 第1章第46页 图1 24IGBT的开关过程 返回 第1章第47页 图1 25光耦合器的类型及接法 普通型高速型高传输比型 返回 第1章第48页 图1 26理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1 t2 脉冲前沿上升时间 1 s t1 t3 强脉冲宽度IM 强脉冲幅值 3IGT 5IGT t1 t4 脉冲宽度I 脉冲平顶幅值 1 5IGT 2IGT 返回 第1章第49页 图1 27常见的晶闸管触发电路 返回 第1章第50页 图1 28推荐的GTO门极电压电流波形 返回 第1章第51页 图1 29典型的直接耦合式GTO驱动电路 返回 第1章第52页 图1 30理想的GTR基极驱动电流波形 返回 第1章第53页 图1 31GTR的一种驱动电路 返回 第1章第54页 图1 32电力MOSFET的一种驱动电路 返回 第1章第55页 图1 33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 返回 第1章第56页 图1 34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