第3章全控型器件的驱动及其它共性问题

1、第三章第三章 全控型器件的驱动及其他共性问题全控型器件的驱动及其他共性问题 第一节第一节 典型全控型电力电子器件的驱动典型全控型电力电子器件的驱动 第二节第二节 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 第三节第三节 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路 第四节第四节 电力电子器件的串、并联使用电力电子器件的串、并联使用 第一节第一节 典型全控型电力电子器件的驱动典型全控型电力电子器件的驱动 一、驱动电路概述一、驱动电路概述 1. 驱动电路定义：驱动电路定义：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 2. 驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务： n将电子电路传来的信号按控制目

2、标的要求，转换使电将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换使电 力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端 之间）之间） n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通控制信号； n对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关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。断控制信号。 3. 驱动电路的形式驱动电路的形式 v 分立元件构成分立元件构成 v 专用的集成驱动电路专用的集成驱动电路 4. 控制电路与主电路之间的电气隔离环节控制电路与主电路之间的电气隔离环节 v磁隔离磁隔离的元件通常是脉冲变压器的元件通常是

3、脉冲变压器 v光隔离光隔离一般采用光耦合器一般采用光耦合器(光耦）。其连接光耦）。其连接 类型分别有普通型、高速型、高传输比型。类型分别有普通型、高速型、高传输比型。 E R E R E R a)b)c) Uin Uout R1 ICID R1 R1 归纳归纳 1 1 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 性能良好的驱动电路使电力电子器件性能良好的驱动电路使电力电子器件 理想的理想的 开关状态开关状态 缩短开缩短开 关时间关时间 减小开减小开 关损耗关损耗 对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义对装置的运行效率，可靠性、安全性有重要意义 驱动电路的基本任务

4、驱动电路的基本任务 将信息电子电路传来的信号按控制将信息电子电路传来的信号按控制 目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以 使其开通或关断的信号。使其开通或关断的信号。 驱动电路驱动电路 对半控型器件提对半控型器件提 供开通控制信号供开通控制信号 关断信号关断信号 开通信号开通信号对全控型器件对全控型器件 提供提供 驱动电路提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节（一般采用光隔驱动电路提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节（一般采用光隔 离或磁隔离）。离或磁隔离）。 驱动电路加在电力电子器件驱动电路加在电力电子器件 控制

5、端和公共端之间信号控制端和公共端之间信号 电流驱动型电流驱动型 电压驱动型电压驱动型 晶闸管晶闸管电流驱动型器件电流驱动型器件半控型器件半控型器件 触发电路 晶闸管的驱动电路 归纳归纳 2 5.电流驱动型和电压驱动型：电流驱动型和电压驱动型： 根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共 端之间的信号的性质，将电力电子器件分为电端之间的信号的性质，将电力电子器件分为电 流驱动型和电压驱动型。流驱动型和电压驱动型。 二、驱动电路二、驱动电路 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 （GTO、GTR） GTO的开通控制：与普通晶的开通控制：与普通

6、晶 闸管相似，但对脉冲前沿的闸管相似，但对脉冲前沿的 幅值和陡度要求高，且一般幅值和陡度要求高，且一般 需在整个导通期间施加正门需在整个导通期间施加正门 极电流；极电流； 关断：施加负门极电流，对关断：施加负门极电流，对 其幅值和陡度的要求更高，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后还应在门阴极施加约 5V的负偏压以提高抗干扰能的负偏压以提高抗干扰能 力。力。 推荐的推荐的GTO门极电门极电 压电流波形压电流波形 O t t O uG iG GTO驱动电路通常包括：驱动电路通常包括：开通电路、关断电路和开通电路、关断电路和 门极反偏电路门极反偏电路三部分。三部分。 50kHz

7、 50V GTO N1 N2 N3 C1C3 C4 C2 R1 R2 R3 R4 V1 V3 V2 L VD1 VD2 VD3 VD4 栅源间、栅射间有数千皮法（栅源间、栅射间有数千皮法（PF)的电容，为快的电容，为快 速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小； 开通的驱动电压应达一定值：开通的驱动电压应达一定值：MOSFET1015V， IGBT15 20V； 关断时施加一定幅值的负驱动电压关断时施加一定幅值的负驱动电压 -5 -15V） 有利于减小关断时间和关断损耗；有利于减小关断时间和关断损耗； 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减在栅极串入一

8、只低值电阻（数十欧左右）可以减 小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额 定值的增大而减小。定值的增大而减小。 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 电力电力MOSFET的一种驱动的一种驱动 电路：电气隔离和晶体管电路：电气隔离和晶体管 放大电路两部分放大电路两部分 v无输入信号时高速放大无输入信号时高速放大 器器A输出负电平输出负电平,V3导通导通 输出负驱动电压输出负驱动电压 v当有输入信号时当有输入信号时A输出输出 正电平，正电平，V2导通输出正导通输出正 驱动电压驱动电压 A + - MOSFET 20 V 20 V ui

9、R 1R 3 R 5 R 4 R 2 R G V 1 V 2 V 3 C 1 -V CC +V CC 电力电力MOSFET的的 一种驱动电路一种驱动电路 IGBT的驱动的驱动 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 13 故障指示 检测端 VCC 接口 电路 门极 关断电路 定时及 复位电路 检测电路 4 1 5 8 6 14 13 uo VEE 8 1 5 4 6 -10V +15V 30V +5V M57962 L 14 ui 1 快恢复 trr0.2s 4.7k 3.1 100 F 100 F 第二节第二节 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 一、一、过电压的产生及过电压

10、保护过电压的产生及过电压保护 1.过电压的产生原因过电压的产生原因 外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（雷击过电压：由雷击引起（浪涌过电压浪涌过电压） 内因过电压内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程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管在换相结束后不能立刻

11、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；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。低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 过电压的产生过电压的产生 过电压过电压 外外因过电压因过电压 内内因过电压因过电压 操作过电压操作过电压雷击过电压雷击过电压换相过电压换相过电压关断过电压 换相过电压换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相

12、结束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。流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 关断过电压关断过电压 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。应出的过电压。 电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波 形形 ，如图所示：，如图所示： 2.过电压的保护

13、措施过电压的保护措施 针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑 制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件， 称为吸收回路。称为吸收回路。 （1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关 断过电压）断过电压） （2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻（吸收浪涌过电压） 压敏电阻外形同瓷介电容压敏电阻外形同瓷介电容 特性曲线同正反相稳压管特性曲线同正反相稳压管 压敏电阻的接法压敏电阻的接法 ： a)a)单相联接单相联接 b)b)三相星形联接三相星形联接 过电压抑制措施及配置位置过电压抑制

14、措施及配置位置 F避雷器避雷器D变压器静电屏蔽层变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用阀侧浪涌过电压抑制用RC电路电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC 电路电路 RV压敏电阻过电压抑制器压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用阀器件换相过电压抑制用RC电路电路 RC4直流侧直流侧RC抑制电路抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用阀器件关断过电压抑制用RCD电路电路 过电压保护措施过电压保护措施 二、过电流的产生及保护二、过电流的产生及保护 1. 产生：产生：短路、过载时会产生过电流短路、过载时会产生

15、过电流 2. 保护：保护：快速熔断器（快速熔断器（1.57IT(AV)IFUITM ） 快速熔断器保护的接法快速熔断器保护的接法 a)串于桥臂中串于桥臂中 b)串于交流侧串于交流侧 c) 串于直流侧串于直流侧 银质银质 熔丝熔丝 石英沙石英沙 过电流保护过电流保护 过电流保过电流保 护措施护措施 过电流继电器过电流继电器 快速熔断器快速熔断器 直流快直流快 速断路器速断路器 同时采用几种过电流保护措施，同时采用几种过电流保护措施， 提高可靠性和合理性提高可靠性和合理性 过电流过电流 短路时的部分区段短路时的部分区段 的保护的保护 整定在电子电路动作之后实整定在电子电路动作之后实 现保护现保护

16、整定在过载时动作整定在过载时动作 短路短路 过载过载 过电流保护措施及配置位置 快熔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，快熔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， 选择快熔时考虑：选择快熔时考虑： l 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 l 电流容量因按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。电流容量因按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。 l 快熔的快熔的I I2 2t t值应小于被保护器件的允许值应小于被保护器件的允许I I2 2t t值值。 l 保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其

17、时间电流特性。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。 保护方式保护方式 短路保护短路保护 需与其他过电流保护措施相配合需与其他过电流保护措施相配合 全保护全保护 只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合 不论过载还是短路均由快熔保护不论过载还是短路均由快熔保护 只在短路电流较大的区域内起保护作用只在短路电流较大的区域内起保护作用 缓冲电路缓冲电路（吸收电路）作用（吸收电路）作用 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（关断缓冲电路（du/dtdu/dt抑制电路）抑制电路） 用于吸收器件

18、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（开通缓冲电路（di/dtdi/dt抑制电路）抑制电路） 用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗 缓冲电路缓冲电路 复合缓冲电路复合缓冲电路 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上 馈能式缓冲电路馈能式缓冲电路 （无损吸收电路）（无损吸收电路） 缓冲电路中储能元件的能 量回馈给负载或电流 第三节第三节 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路 di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形 通常缓冲电路专指关

19、断缓冲电路，通常缓冲电路专指关断缓冲电路， 将开通缓冲电路叫做将开通缓冲电路叫做di/dtdi/dt抑制电路抑制电路 无缓冲无缓冲 电路电路 V开通 电流迅速上升，di/dt 很大 V关断 du/dt很大，并出现 很高的过电压 有缓冲 电路 V开通 Cs通过Rs向V放电， 使ic先上一个台阶，以后因有 di/dt抑制电路的Li ,ic上升速 度减慢。 V关断 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。 b) di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路波形 t uCE O di dt抑制电路时 无 di dt 抑制电路时有 有缓冲电路时 无缓冲电路时 uC E

20、iC ic BA D C 无缓冲电路 有缓冲电路 ucE 0 关断时的负载线 无缓冲电路无缓冲电路 uCE 迅速上升，负载迅速上升，负载L L上的感应电压上的感应电压 是续流二极管是续流二极管VDVD开始导通，负载线开始导通，负载线 A A从移动到从移动到B B，iC下降到漏电流的大小，下降到漏电流的大小， 负载线随之移动到负载线随之移动到C C。 有缓冲电路有缓冲电路 CS的分流使的分流使iC在在uCE开始上升的同时开始上升的同时 就下降，负载线经过就下降，负载线经过D到达到达C，负载，负载 线线ABC经过的是小电流、小电压区，经过的是小电流、小电压区， 器件的关断损耗比无缓冲电路时降低。器

21、件的关断损耗比无缓冲电路时降低。 L C S R S E d 缓冲电路 负载 L C S R S E d 缓冲电路 负载 Ri VD L V di dt 抑制电路 缓冲电路 Li VDi Rs Cs VDs b)c) a) a) 充放电型RCD缓冲电路 另外两种常用缓冲电路 a)RC吸收电路 b)放电阻止型RCD吸收电路 第四节第四节 电力电子器件的串、并联使用电力电子器件的串、并联使用 一、晶闸管的串联使用一、晶闸管的串联使用 1.串联使用的目的：当晶闸管额 定电压小于要求时，可以串联。 2.串联使用时的问题：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。 3.串联使用时

22、要均压措施：一般串联使用时要均压措施：一般 在器件上并联阻值相等的电阻。在器件上并联阻值相等的电阻。 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；选用参数和特性尽量一致的器件； 采用电阻均压，采用电阻均压，Rj的阻值应比器的阻值应比器 件阻断时的正、反向电阻小得多。件阻断时的正、反向电阻小得多。 动态均压动态均压措施措施 通常在元件两端并联通常在元件两端并联R R、C C阻容吸阻容吸 收回路，它既可起过电压保护作收回路，它既可起过电压保护作 用，又可利用电容电压不能用，又可利用电容电压不能突变突变 而减慢元件上的电压变而减慢元件上的电压变化以实现化以实现 动态均压的目的动态均压的目

23、的 目的：目的：多个器件并联来承担较大的电流。多个器件并联来承担较大的电流。 问题：问题：SCR会分别因静态和动态特性参数的差异而会分别因静态和动态特性参数的差异而 电流分配不均匀。电流分配不均匀。 二、晶闸管的并联使用二、晶闸管的并联使用 a）电阻均流法：电阻均流法： b）电抗均流法电抗均流法 电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点 R Ron on具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易 具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易 并联。并联。 注意选用注意选用R Ron on、 、U UT T、G Gfs fs和 和C Ciss iss尽量相近的器件并联。 尽量相近的器件并联。 电路走线和布局应尽量对称。电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感可在源极电路中串入小电感, ,起到均流电抗器的作用。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 在在1/21/2或或1/31/3额定电流以下的区段，通态压降具有额定电流以下的区段，通态压降具有负的的 温度系数。温度