电力电子应用技术书章7.3节解析

1、7.3 电力电子器件与变流器的保护在电力电子电路中，除了合理地选择电力电子器件的参数、精心设计驱动电路外，采 用合适的过电压保护、过电流保护、 du/dt 保护和 di/dt 保护十分必要。因此，保护是电力电 子变流器中必不可少的重要环节。强电系统所涉及处理的能量大，故障率和危害性一般比 弱点系统高，所以，强电系统就更应该设置各种保护环节来实现人身安全和设备安全，减 小经济损失。毕竟7.3.1 过电压保护电力电子变流器中可能发生的过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。1. 过电压产生的原因（ 1）外因过电压雷击过电压 由雷电引起的过电压。操作过电压 主要指由电网的开关操作（如分、合闸等）所引

2、起的过电压。电路合闸 接通电源的瞬间，网侧高电压通过降压变压器一次、二次绕组之间的分布电容直接传至次 级电力电子变换器。电路分闸断开变压器时，变压器一次侧励磁电流突然被切断所引起的 过电压会感应到二次侧，使电力电子变换器开关器件承受操作过电压。此外，电力系统的 电网波动、闪变、电网谐波污染等会引起浪涌电压尖峰。这些影响都会由供电变压器电磁 感应，或经变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合到电力电子装置。（ 2）内因过电压内因过电压是指在电力电子装置内部，电力电子器件在控制换流的开关过程中，由于 电流发生突变会因线路电感而在器件两端产生的过电压。内因过电压又分为换相过电压和 关断过电压。换相过

3、电压 由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换流结束后不能立 刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使内部残存的载流子恢复，而当恢复了阻 断能力时，反向电流急剧减小， 线路中杂散电感L o会感应产生很大的自感反电势Lffdi/dt这个反电势与电源电压相加作用在晶闸管阴阳极之间或与二极管反并联的全控型器件两 端，可能使开关器件过压而损坏。关断过电压 全控型器件在较高频率下工作， 当开关器件关断时， 其正向电流迅速减小， 而在线路电感上产生很高的感应电压加在正在关断的开关器件上，可能使其过电压损坏。2过电压保护措施图7-17示出了电力电子变换系统中一些可能采用的过电压抑制措施及其配置。

4、图中交流电源经交流断路器 S送入降压变压器Tr。当雷电过电压从电网窜入时，避雷器 F对地放 电防止雷电进入变压器。Co为静电感应过电压抑制电容器，当S合闸，电网高压加到变压器二次绕组，经一次、二次绕组耦合电容Ci2把电网交流高压直接传至二次时，由于C0Cl2，故C。上感应的操作过电压值不高，保护了后面的开关器件免受合闸操作过电压 的危害。图中R,Ci、R C2为两种过电压抑制电路。当电路上出现过电压时，过电压对C、C2充电，Ci、C2的两端电压不能突变，其充电过程限制了电压的上升率，减小了开关器 件所能承受的过电压及其变化率du/dt。RC电路中的C越大，R越小，过电压保护作用越好。图中简单的

5、 R Ci过电压抑制电路中，过电压对 G充电后，Ci上的高压对 R放电时， 可能会危害被保护设备，而在RC2过电压抑制电路中，C2被过电压充电后对 R放电时，则不会危害电路中的其他器件，故这种放电阻止型（图中的整流二极管阻止了放电电流进 入电网）R2 C2过电压抑制电路在高压大容量系统中应用得比较多。图中的Rv为非线性压敏电阻，当其端电压超过其阈值电压时，其等效电阻立即从无限大下降，流过大电流时， 其端电压仍仅比阈值电压有很小的上升，因此它能将线路上的过电压限制到其阈值电压，实现开关器件的过压保护。FCi2图7-i7过电压的抑制措施及其配置图7-i8是三相电力电子装置阻容吸收电路的常用配置和接

6、线；图7-i9所示为大容量电力电子装置中，放电阻止型阻容吸收电路，又称反向阻断式 RC电路或整流式阻容吸收电路，通常并联在电力电子装置的交流进线端。这两个电路有效抑制过电压和浪涌尖峰的原理， 请读者自行分析，保护电路的有关参数计算，请参考相关的工程手册。为了抑制开关器件在开通、关断过程中的内因过电压和du/dt、di/dt，并减少开关损耗，常采用所谓缓冲电路，这将733缓冲电路一节中讲述。图7-18三相电力电子装置的RC过电压抑制电路及连接方式R2图7-19放电阻止型RC吸收电路及连接方式7.3.2过电流保护电力电子变流器和控制系统运行不正常或发生故障时，可能会发生过电流，造成开关器件的永久性

7、损坏。过电流在过载和短路两种情况下发生。图7-20示出了电力电子装置中常用的过电流保护措施及各种保护的配置。IGBT变流器动作电流整定值通常电力电子装 置均同时采用几种过 流保护措施以提高保 护的可靠性和合理性。 所选、的几种过流保护 措施应相互协调配合、图7-20过流保护措施及保护装置各尽所能。常常选用电子保护作为延时最短、但动作阈值最高的一级保护，当电流传感器检测到过电流值超过动作电流整定值时，电子保护电路输出过流信号、封锁驱动信号、关断变流器中的开关器件、 切断过流故障源。快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。快速熔断器的熔断时间与过电流的大小有关（决定于发热量

8、l2t ）。快熔对器件的保护类型有全保护和短路保护两种，可由设计者选定。全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行 保护，通常只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合；如果快熔仅保护短路故障，通常应在50Hz或60Hz半周期内熔断，其动作电流较大，这时对一般的过载则要有其它保护措施配合，比如通过电流继电器断开电路中的机械式断路器，实现过载保护。无论是快熔还是过电流继电器，其动作电流值一般远小于电子保护电路的动作电流整定值，其延迟的动作时间则应根据实际应用情况匹配。图7-20中还给出了一种利用晶闸管 SCR的过流保护方案，当发生过流时电子保护电路输出触发信号使SCR导通将电路短路，从而使熔断器快速

9、熔断而切断短路电路的电源。对于电动机之类的负载，其起动冲击和过载过电流的变化较缓慢，可以利用电流互感 器控制，除了通过控制系统本身的调节器对电流的限制作用之外，还需设置专门的过电流 保护电子电路或电子式过载热保护。对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保 护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。通常利用霍尔电流传感器或取样电 阻来检测信号，一方面用于控制过流继电器，当电流超过一定门限时，驱使网侧断路器分 断；另一方面，可将电流信号与设定的动作阈值相比较，在发生过流时，通过电子保护电 路去控制触发电路、驱动电路来直接关断主电路器件。现在不少全控器件的集成

10、驱动电路中，已设计成能够自身控制过电流状态而封锁驱动 信号、实现过流保护的功能。以 IGBT 为例，其基本原理是在开关器件处于导通时，检测其 集电极与发射极之间的电压UcE (通过其导通压降取样)，因过流时UcE随之增大，一旦检测到过大的Uce，即时在驱动器内部阻断开通信号，输出关断信号，封锁开关管，切断短路 或过流电路。如 7.2 中介绍的 M57962L 型和 2SD315A 型 IGBT 驱动集成电路，这是目前很 常用的带有电子保护的一种典型驱动电路。在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环 节，这对器件过电流的响应是最快的。7.3.3 缓冲电路缓冲电路( Snubber circuit

11、 )又称为吸收电路，其作用和目的是抑制电力电子器件的内 因过电压、du/dt或者过电流di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和 开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路，用于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。开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和 di/dt，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一 起，称为复合缓冲电路。还可以用另外的分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗 在其吸收电阻上，则被称为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给 负载或电源，则被称为馈能式缓冲

12、电路或称为无损耗吸收电路。如无特别说明，通常缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路区别称为di/dt抑制电路。图7-21为di/dt抑制电路和充放电型 RCD缓冲电路及波形，图7-21(a)示出了一种缓冲电路和di/dt抑制电路的电路图，图7-21(b)是开关过程中集电极电压 uce和集电极电流ic的波 形，其中虚线表示无 di/dt抑制电路和缓冲电路时的波形。在T开通时，di/dt抑制电路起主要作用，而在关断过程中，缓冲电路起主要作用，来抑制关断过程中的du/dt和尖峰电压。1 RiI Di疋LDh（a） IGBT缓冲电路L i di/dt抑制电路缓冲电路图7-21 di/dt抑制电路和

13、充放电型RCD缓冲电路及波形在无缓冲电路的情况下，绝缘栅极晶体管T开通时流过器件的电流迅速上升，di/dt可能会超过器件所允许的电流变化率限度；在开关管关断时，其外电路的电流急剧减小，主电 路中所存在的电感（包含布线杂散电感）会产生很大的自感电势，因而导通T在关断过程中承受很高的过冲电压尖峰，有时还伴有过冲高频振荡，du/dt很大。在有缓冲电路的情况下，T关断时，UCE升高，负载电流通过Ds向Cs充电，对T具有分流作用，减轻了 T的电流负担,同时由于Cs的电压惯性，可以抑制uCE/dt，并且吸收电感所释放出的尖峰过电压能量。在T开通时缓冲电容Cs先通过Rs向T放电，使电流ic形成一个上升小台阶

14、， 此后因为有di/dt抑制电 路的Li，ic的上升速度减慢。Rs的作用是在T开通期间，限制放电电流的大小，但应使 Cs尽快 放电到零，为T下次关断时吸收能量做好准备。 Ri、Di、是T关断时为匚中的磁场能量提供放电回路而设置的，ic因V的关断而迅速减小，致使 Li产生下正上负的自感电势，使 Ri-Di支路 导通续流。概述起来， RCD缓冲电路有三个作用：吸收过压尖峰；减缓dUcE/dt ;充电分流使开关管电流减小。从而既保护了器件又降低了开关损耗，这正是加缓冲电路的目的。s图7-22与IGBT相并联的RCD缓冲电路图7-22所示是一种典型的与 IGBT相并联 的RDC （由Rs、Ds和Cs组

15、成的电路网络）缓冲 电路，确定各器 件的参数方法可描述如下。当 IGBT关断时，与其并联的RCD缓冲电路对T管 集电极电流进行分流，电容Cs通过二极管 Ds充电至Vce ；而当T管开通时，电容Cs通过电阻R,放电，正是由于缓冲电路有这一部分功率的消耗才减轻了开关器件T管的应力，这就是缓 冲电路的作用。T管关断时，电容充电能量为1 2 1ECsU CE1 cU CE (tr tf )(7-3)2 2式中，Ic 最大集电极电流，AU CE 最大集射极电压，vtr 最大集电极电压上升时间，口 stf 最大集电极电流下降时间，卩s由式(7-3)有，Cs = 1 c(tr tf )/ U CE(7-4)

16、由式(7-4)可计算出缓冲电路中Cs的值。如前描述，电容 Cs在T关断时充电，在 T的开通时间ton内Cs上的电荷通过电阻 Rs释放，电容Cs上的电压可表达为Uc 二Uce exp(-tn/RC)(7-5)为了要保证在T管关断时，电容充电至 UCE，应该选择RC,使得在T管的一个关断周期内exp(-ton/RC)接近于1。同样的考虑，必须选择RC使得在ton时间内RC完全放电结束。由阻容放电基本理论，我们知道，经过5 T( . = RsCs)时间常数后，电容通过电阻的放电可认为结束，一般认为3t3RsCs时，电容放电基本完毕。则有Rs - 鼻(7-6)3Cs然后再校核电容通过T管和电阻的放电电

17、流，在T管开通后，一般要限制其放电电流为25%lc，即UCEIdsC-25%IcRs即Rs _ UCE(7-7)25%IC由式(7-6)和(7-7)可确定放电电阻R的值。放电电阻Rs的功率(功耗)可表示为1 2匚 CSUCE f s(7-8)2式中，fs T管工作的开关频率，Hz。至于Ds的确定要保证足够的电压、电流定额，并使用快恢复二极管， 保证足够的开关速度。图7-22所示的缓冲电路被称为简单的充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。图7-23示出了另外两种常用的缓冲电路形式。其中RC吸收电路主要用于小容量器件，其中放电阻止型 RCD缓冲电路用于中、大容量器件，其CS上充有大小近似等

18、于电源电压Ed的值，只吸收UCE比Ed高出的过压尖峰，并且可以经过Rs释放，对Rs的功率要求小得多。缓冲电容Cs和吸收电阻Rs的取值可以用实验方法确定， 或参考有关的工程手册。 吸收二极 管Ds必须选用快恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件额定电流的1/10。此外，应尽量减小线路电感 L，且应选用内部电感小的吸收电容和吸收电阻（无感电容和无感电阻）。在中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧总的设一个du/dt抑制电路，对IGBT甚至可以反并联一只小的吸收电容。负 载Ed-（a） RC吸收电路RsO(a)0图7-24二极管和晶闸管的吸收电路（a）二极管 （b）晶闸管图7-23两种常用的缓冲电路RC吸收电路也用于大容量的晶闸管及电力二 极管等，如图7-24所示（电磁继电器的线圈亦常 并接RC吸收电路，以避免产生电磁干扰）。晶闸 管在实际应用中一般不存在关断时因电流突变引 起的关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，只存在反向恢复电流产生的振荡电压，承受换相过RC吸收。由于 RCD电压，且不仅承受正向过电压，还要承受反向过电压，所以宜于采用吸收电路中二极管的单向导电性，故仅适用于上述IGBT和MOSFET等正向阻断型器件的缓冲保护，因为在加反向电压时RCD将失去