第9章 电力电子器件应用的共性问题

1、第第9 9章章 电力电子器件应用的共性问题电力电子器件应用的共性问题 9.1 9.1 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 9.2 9.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 9.3 9.3 电力电子器件的串联使用和并联使用电力电子器件的串联使用和并联使用 本章小结本章小结Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation2/269.1 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 9.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 9.1.2 晶闸管的触发

2、电路晶闸管的触发电路 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation3/269.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路驱动电路 是电力电子主电路与控制电路之间的是电力电子主电路与控制电路之间的接口接口。 良好的驱动电路使电力电子器件工作在较理想的良好的驱动电路使电力电子器件工作在较理想的开关开关状态状态，缩短开关时间，减小开关损耗。，缩短开关时间，减小开关损耗。驱动电路的

3、基本任务驱动电路的基本任务 将将信息电子电路信息电子电路传来的传来的信号信号按按控制目标的要求控制目标的要求，转换，转换为施加在电力电子器件为施加在电力电子器件控制端和公共端控制端和公共端之间，可以使其之间，可以使其开通开通或或关断关断的信号。的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件对半控型器件只需提供开通控制信号；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。则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and

4、 Automation4/269.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔光隔离离或或磁隔离磁隔离。 磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器晶闸管晶闸管 当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调高频调制和解调的方法。的方法。 光隔离一般采用光隔离一般采用光耦合器光耦合器全控型器件全控型器件 光耦合器由光耦合器由发光二极管和光敏晶体管发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。组成，封装在一个

5、外壳内。 有有普通普通、高速高速和和高传输比高传输比三种类型。三种类型。 ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图图9-1 光耦合器的类型及接法光耦合器的类型及接法a) 普通型普通型 b) 高速型高速型 c) 高传输比型高传输比型 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation5/269.1.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路的分类驱动电路的分类 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间按照驱动电路加在电力

6、电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型电流驱动型和和电电压驱动型压驱动型两类。两类。 晶闸管的驱动电路常称为晶闸管的驱动电路常称为触发电路触发电路。 驱动电路具体形式可为驱动电路具体形式可为分立元件分立元件的，但目前的趋势是采的，但目前的趋势是采用专用用专用集成驱动电路集成驱动电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。发的集成驱动电路。Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Ele

7、ctric Engineering and Automation6/269.1.2 晶闸管的晶闸管的触发电路触发电路IIMt1t2t3t4图图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（脉冲前沿上升时间（1 s）t1t3强脉冲宽度强脉冲宽度IM强脉冲幅值（强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度脉冲宽度I脉冲平顶幅值（脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT） 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 作用：产生符合要求的作用：产生符合要求的门极触发脉冲门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。这里主要指这里主

8、要指放大、输出电路放大、输出电路。 晶闸管触发电路还包括对其触发时刻进晶闸管触发电路还包括对其触发时刻进行控制的行控制的相位控制电路相位控制电路移相控制移相控制。 触发电路应满足下列要求触发电路应满足下列要求 触发脉冲的触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导宽度应保证晶闸管可靠导通通，比如对感性和反电动势负载的变流器，比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发。应采用宽脉冲或脉冲列触发。 触发脉冲应有触发脉冲应有足够的幅度足够的幅度，对户外寒，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也倍，脉冲前沿的陡

9、度也需增加，一般需达需增加，一般需达12A/ s。 触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。靠触发区域之内。 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性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。及与主电路的电气隔离。 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation7/269.1.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路图图9-3 常见的晶闸管触发

10、电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路 由由V1、V2构成的构成的脉冲放大环脉冲放大环节节和脉冲变压器和脉冲变压器TM和附属电路构和附属电路构成的成的脉冲输出环节脉冲输出环节两部分组成。两部分组成。 当当V1、V2导通时，通过脉冲导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。间输出触发脉冲。 VD1和和R3是为了是为了V1、V2由导由导通变为截止时脉冲变压器通变为截止时脉冲变压器TM释放释放其储存的能量而设的。其储存的能量而设的。 为了获得触发脉冲波形中的为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它强脉冲部分，还需适当

11、附加其它电路环节。电路环节。 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 互补对称功放电路（互补对称功放电路（OTL） 图图 采用双电源的采用双电源的GTR的驱动的驱动电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation9/269.1.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路图图9-8 电力电力MOSFET的一种驱动电路的一种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

12、力电力MOSFET和和IGBT是电压驱动型器件。是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻较小的输出电阻。 使电力使电力MOSFET开通的开通的栅源极间栅源极间驱动电驱动电压一般取压一般取1015V，使，使IGBT开通的开通的栅射极栅射极间驱间驱动电压一般取动电压一般取15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取取 -5 -15V）有利于减小关断时间和关断损）有利于减小关断时间和关断损耗。耗。 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小可以减小寄生

13、振荡寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。件电流额定值的增大而减小。 电力电力MOSFET 包括包括电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分；两部分；Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation10/269.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 9.2.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护 9.2.2 过电流保护过电流保护 9.2.3 缓冲电路缓冲电路Collage of Ele

14、ctric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation11/269.2.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压分为过电压分为外因过电压外因过电压和和内因过电压内因过电压两类。两类。 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原 因，包括因，包括 操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。 雷击过电压雷击过电压：由雷击引起的过电压。：由雷击引起的过电压。内因过电压主要来自

15、电力电子装置内部器件的开关过内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过 程，包括程，包括 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：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，在换相结束后，反向电流急剧减小反向电流急剧减小，会由，会由线路电感线路电感在在器件两端感应出过电压。器件两端感应出过电压。 关断过电压关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因关断时，因正向电流的迅速降低正向电流的迅速降低而由而由线路电感线路电感在器件在器件两端感应出的过电压。两端感应出的过电压。 Collage of Electric Engin

16、eering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation12/26图图RC或者压敏电阻吸收电路或者压敏电阻吸收电路Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation13/26图大容量装置的整流式图大容量装置的整流式RC吸收吸收9.2.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压设置设置Co，抑制操作开关，抑制操

17、作开关S通、断时过电压通、断时过电压线路上并接线路上并接RC过电压缓冲器过电压缓冲器线路上并接压敏电阻线路上并接压敏电阻RV用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压9.2.2 过电流保护过电流保护可同时采用多种过流可同时采用多种过流( (过载、短路过载、短路) )保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选择性保护。保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选择性保护。电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机。电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机。过电流继电器：过载时动作。过电流继电器：过载时动作。快速熔断器：既可作快速熔断器：既可作短路短路保护又可作保护又可作过载过载

18、保护。保护。直流快速熔断器：直流快速熔断器：SCRSCR被触发导通，烧断熔断器，切断电路，被触发导通，烧断熔断器，切断电路，整定在电子电路动作整定在电子电路动作之后实现保护。之后实现保护。开关管设死区延时开通，防止直通。开关管设死区延时开通，防止直通。Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation16/269.2.3 缓冲电路缓冲电路缓冲电路（缓冲电路（Snubber Circuit）又称为）又称为吸收电路吸收电路。 其作用目的是抑制电力电子器件的其作用目的

19、是抑制电力电子器件的内因过电压尖峰内因过电压尖峰、du/dt或者或者过电过电流流和和di/dt，保护器件，减小器件的，保护器件，减小器件的开关损耗开关损耗。分类分类 分为分为关断缓冲电路关断缓冲电路和和开通缓冲电路开通缓冲电路 关断缓冲电路（关断缓冲电路（RCD）：又称为）：又称为du/dt抑制电路抑制电路，用于吸收器件，用于吸收器件的的关断过电压和换相过电压关断过电压和换相过电压，抑制，抑制du/dt，减小，减小关断损耗关断损耗。 开通缓冲电路：又称为开通缓冲电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

20、，减小器件的开通损耗。 复合缓冲电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起。复合缓冲电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起。 还可分为还可分为耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路和和馈能式缓冲电路馈能式缓冲电路 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：缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电吸收电阻阻上。上。 馈能式缓冲电路馈能式缓冲电路 ：缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给：缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载负载或电源或电源，也称，也称无损吸收电路无损吸收电路。 通常将通常将缓冲电路专指关断缓冲电路缓冲电路专指关断缓冲电路，而将，而将开通缓冲电路开通缓冲电路区别叫做区

21、别叫做di/dt抑制电路抑制电路。 Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electric Engineering and Automation17/269.2.3 缓冲电路缓冲电路b)tuCEiCOd idt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC图图9-14di/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a) 电路电路 b) 波形波形Collage of Electric Engineering and AutomationCollage of Electr

22、ic Engineering and Automation18/269.2.3 缓冲电路缓冲电路ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO图图9-15 关断时的负载线关断时的负载线图图9-16 另外两种常用的缓冲电路另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路吸收电路b)放电阻止型放电阻止型RCD吸收电路吸收电路 关断过程关断过程 无缓冲电路时，无缓冲电路时，uCE迅速上升，负迅速上升，负载线从载线从A移动到移动到B，之后，之后iC才下降到漏电才下降到漏电流的大小，负载线随之移动到流的大小，负载线随之移动到C。 有缓冲电路时，由于有缓冲电路时，由于Cs的分流使的分流使iC在在uCE开始上升的同时就下降

23、，因此负开始上升的同时就下降，因此负载线经过载线经过D到达到达C。 另外两种常用的缓冲电路形式另外两种常用的缓冲电路形式 RC缓冲电路缓冲电路主要用于小容量器件，主要用于小容量器件，而而放电阻止型放电阻止型RCD缓冲电路缓冲电路用于中或大用于中或大容量器件。容量器件。 晶闸管在实际应用中一般只承受晶闸管在实际应用中一般只承受换换相过电压相过电压，没有关断过电压问题，关断，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的时也没有较大的du/dt，因此一般采用，因此一般采用RC吸收电路即可。吸收电路即可。 9.3 电力电子器件的串联使用和并联使用电力电子器件的串联使用和并联使用 9.3.1 晶闸管的串联晶闸

24、管的串联 9.3.2 晶闸管的并联晶闸管的并联 9.3.3 电力电力MOSFET的并联和的并联和IGBT的并联的并联9.3.1 晶闸管的串联晶闸管的串联图图9-17 晶闸管的串联晶闸管的串联a)伏安特性差异伏安特性差异b)串联均压措施串联均压措施对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件（装置）串联或并联将电力电子器件（装置）串联或并联起来工作。起来工作。 晶闸管的串联晶闸管的串联 当晶闸管的当晶闸管的额定电压额定电压小于实际要求时，可以小于实际要求时，可以用

25、两个以上同型号器件相串联。用两个以上同型号器件相串联。 静态不均压问题静态不均压问题 当两个当两个SCR串联下，串联下， 同一漏电流同一漏电流IR所承受所承受的正向电压不同。若外加电压继续升高，电压高的正向电压不同。若外加电压继续升高，电压高的先导通，使得另一个立马导通，失去控制作用。的先导通，使得另一个立马导通，失去控制作用。反之亦然。反之亦然。 为达到静态均压，首先应选用为达到静态均压，首先应选用参数和特性参数和特性尽量一致的器件尽量一致的器件，此外可以，此外可以采用电阻均压采用电阻均压。 动态不均压问题动态不均压问题 由于器件动态参数和特性的差异造成的不由于器件动态参数和特性的差异造成的

26、不均压问题。均压问题。 为达到动态均压，同样首先应选择为达到动态均压，同样首先应选择动态参动态参数和特性尽量一致的器件数和特性尽量一致的器件，另外还可以，另外还可以用用RC并联并联支路作动态均压支路作动态均压。 Rp的阻值应比任的阻值应比任何一个器件阻断何一个器件阻断时的正、反向电时的正、反向电阻小得多阻小得多9.3.2 晶闸管的并联晶闸管的并联晶闸管的并联晶闸管的并联 大功率晶闸管装置中，常用多个器件并大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担联来承担较大的电流较大的电流。 晶闸管并联就会分别因晶闸管并联就会分别因静态静态和和动态动态特性特性参数的差异而存在参数的差异而存在电流分配不均匀电流分配不均匀的问题。的问题。 均流的首要措施是挑选特性参数尽量一均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此外还可以采用致的器件，此外还可以采用均流电抗器。均流电抗器。 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用采用先串后并先串后并的方法联接。的方法联接。 9.3.3 电力电力MOSFET的并联和