电力电子学电课11应用

电力电子技术PowerElectronicsTechnologySpring2006电气工程学院

陈洛忠Chenlzh@51687064----13(o)第十一章电力电子器件的应用基础本章内容11.1晶闸管触发电路11.2电力MOSFET和IGBT驱动电路11.3电力电子器件的串并联11.4器件使用中的保护措施11.5电力电子器件的缓冲电路11.1晶闸管触发电路一、概述电力电子装置：主电路、控制电路主电路：用于电能变换控制电路：将给定控制信号转换为能满足主电路开关器件要求的开关控制信号，以使主电路实现相应功能控制电路：开关控制逻辑信号发生电路（通常称为控制电路）、功率放大电路（通常称为驱动电路）驱动电路的作用功率放大、整形作用：将来自控制电路的逻辑信号放大、整形为适合驱动电力电子器件的功率信号隔离作用：提供主电路与控制电路之间的电气隔离环节，如光隔离或磁隔离光隔离元件一般采用光耦合器磁隔离元件通常为脉冲变压器晶闸管控制电路通常称为晶闸管触发电路或晶闸管移相触发电路二、晶闸管对触发电路的要求要求触发电路能产生满足以下要求的触发脉冲1、触发脉冲形式：可以是宽脉冲、窄脉冲、脉冲列2、触发脉冲应有足够的功率：要求触发电压和触发电流大于额定值，保证可靠触发；但应小于最大允许峰值。一般触发电流取额定值的3~5倍3、触发脉冲应有足够的宽度：保证在触发脉冲消失前阳极电流已大于擎住电流4、触发脉冲应有足够的前沿陡度：以提高晶闸管导通速度，从而提高晶闸管承受的di/dt能力。要求触发电压前沿陡度>10V/us；触发电流前沿陡度达到1~2A/us5、触发脉冲应与主电路电源电压同步：使每个周期触发脉冲都能在同一时刻出现，保证输出电压稳定6、触发脉冲移相范围应满足电力电子装置的要求三、晶闸管触发电路的基本组成环节1、同步环节：提供触发脉冲的参考时刻信号，因此所产生的信号必须与主电路的输入电源同频率，且要有固定的相位关系2、移相环节：产生能反映α角度的移相信号3、脉冲发生环节：产生具有一定形式的触发脉冲，如宽脉冲（脉冲列）、窄脉冲或双窄脉冲4、脉冲分配环节：将一定形式的触发脉冲按照主电路所要求的工作逻辑分配给各个晶闸管（以上环节构成了开关控制逻辑信号发生电路，即控制电路。它可以由分立元件组成，也可以由微机或专用集成电路组成）5、功率放大环节：用于放大、整形和隔离四、常见的功放电路V1、V2构成脉冲放大环节脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节

V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设11.2电力MOSFET和IGBT的驱动电路一、概述电压型开关器件的输入端口是一个容抗网络端口，需要开通、关断驱动电流，因此也需要驱动电路。驱动电流的大小与柵极输入电容有关电力MOSFET与IGBT的输入特性基本相同，因此两者的驱动电路也基本相同。所不同的是IGBT的输入电容较电力MOSFET的稍大，要求驱动电路提供的驱动电流也稍大驱动电路的形式直接驱动（用于单管）隔离驱动（变压器隔离、光耦隔离）（1）直接驱动电路：（2）脉冲变压器隔离的驱动电路缺点：对脉冲宽度有限制隔离驱动电路由脉冲变压器构成的驱动电路（3）光耦隔离的驱动电路光耦隔离：最常用的隔离方式光耦隔离驱动电路（a）标准电路（b）改进电路（3）光耦隔离的驱动电路用555组成的驱动电路驱动电路的构成分立元件驱动电路专用驱动模块抗干扰能力强、保护功能完善、性能可靠集成化程度高、使用方便应用普遍（１）富士公司IGBT驱动模块（２）东芝公司IGBT驱动模块二、设计驱动电路要考虑的主要因素柵极驱动电压UGE(UGS)柵极负偏电压-UGE(-UGS)柵极驱动电阻RG隔离用光耦１、柵极驱动电压UGE(UGS)UGE对管子通态损耗和短路电流有影响：UGE↑→UCE↓→通态损耗↓、短路电流↑一般取UGE＝15V2、柵极负偏电压-UGE(-UGS)加-UGE的主要原因：防止管子误导通

管子在关断期间将承受较大的dUCG/dt，可能会关不断。加-UGE后可以提高关断可靠性一般取负偏电压为：-5V或-10V３、柵极驱动电阻RGRG对管子动态性能影响较大：RG

↓→管子开关速度↑、开关损耗↓ 关断时管子承受的尖峰电压↑ 开通时承受的尖峰电流↑

RG一般取3∽30欧，管子容量越大，RG应越小；管子工作频率越高，RG应越小４、隔离用光耦主要考虑快速和耐du/dt能力常用的隔离光耦有：TLP559、HCLP-4503、HCLP-4505５、柵射极电阻RGE和柵射极稳压管（１）RGE的作用：防止管子误导通 在管子受到外界干扰时，集射极电压有可能超过其阀值，引起管子误导通，加RGE可阻止这一现象发生 RGE

↓→管子开通时间↑一般取RGE=(1000∽5000)RG（２）柵射极稳压管的作用：阻止短路电流形成正反馈 当电路发生短路时，Ic↑↑→柵射极产生尖峰电压脉冲→Ic↑↑形成正反馈。加稳压管可阻止正反馈现象发生。一般取稳压值=UGE+1V11.3电力电子器件的串并联

一、概述1、电力电子器件串并联的目的扩大装置容量2、串并联的要求当器件的额定电压小于实际要求时可以用多个同型号器件串联，串联使用时要求各器件承受的电压相等当器件的额定电流小于实际要求时可以用多个同型号器件并联，并联使用时要求各器件承受的电流相等3、串并联带来的问题（1）串联器件的均压问题串联器件静态特性不一致会造成串联器件静态不均压，阻断电阻大的管子承受较大的电压串联器件动态特性不一致会造成串联器件动态不均压不均压的后果：承受正向电压时，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；承受反向电压时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿（2）并联器件的均流问题并联器件静态特性不一致会造成并联器件静态不均流，通态压降小的管子承受较的大电流并联器件动态特性不一致会造成并联器件动态不均流不均流的后果：承受电流大的器件首先因过流而损坏，然后使另一个器件承担全部电流也损坏二、晶闸管的串、并联1、串联晶闸管的均压措施尽量选用特性一致的器件并接均压电阻RP，使其中流过的电流远大于器件漏电流——静态均压；（RP若过大则起不到均压效果，过小则会造成上RP损耗过大）

并接电容Cb、电阻Rb支路，利用电容电压不能突变的特性减慢电压的上升速度——动态均压（Rb用于防止晶闸管导通瞬间，电容Cb对晶闸管放电造成过大的di/dt）

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，达到动态均压效果晶闸管的串联运行2、并联晶闸管的均流措施

晶闸管的均流措施较多，不论采用哪种措施，首先应尽量选用特性一致的器件串耦合电抗器具有动态均流和静态均流作用能限制di/dt的变化电抗器本身较笨重，接线也较复杂一般用于两个晶闸管的并联，多个晶闸管并联时，串独立电抗器晶闸管的并联应用2、并联晶闸管的均流措施（续）串电阻静态均流作用电阻损耗大用门极强脉冲触发也有助于动态均流布线均流法：在大容量装置中要尽量使各并联支路电阻相等，自感和互感相等三、功率MOSFET的并联静态均流选用Ron比较接近的功率MOSFET使静态电流均匀动态均流选用开启电压UGSth、跨导gm、输入电容Ciss和通态电阻Ron值相近的管子电路走线、布局尽量做到对称有时可在源极回路中串入一个小电感

功率MOSFET的导通电阻Ron具有正温度系数，它能使多个并联的功率MOSFET自动均流，因此一般情况下，多个功率MOSFET可以直接并联使用，不需要采取均流措施四、IGBT的串、并联串联IGBT的均压措施尽量选用特性一致的器件静态均压——在各IGBT集电极和发射极之间并联阻值相等的电阻动态均压并联IGBT的均流措施必须采用同等级的器件各IGBT的栅极均要接上推荐的栅极电阻RGIGBT之间的距离越近越好，发射极之间的接线要等距接线要尽量靠近各IGBT的引出端，要用铜排或偏条驱动电路的输出接线要尽量短，且要用屏蔽线或绞合线器件串、并小结1、电力电子器件串、并联的目的2、串并联带来的问题：串联带来均压问题；并联带来均流问题3、任何器件的串、并联，首先要保证各器件的特性基本一致4、SCR串联：需要解决均压问题。并联均压电阻可以解决静态均压问题，并联阻容支路可以解决动态均压问题4、SCR并联：需要解决均流问题。串联藕合电抗器或独立电抗器既可以解决静态均流问题，又可以解决动态均流问题5、对SCR采用强脉冲触发有助于动态均压和动态均流6、MOSFET和IGBT的导通电阻Ron具有正温度系数，本身具有一定的均流能力，因此一般不需要考虑均流问题，其均压问题一般通过并联均压电阻来解决11.4器件使用中的保护措施

电力电子器件的保护包括过电压保护过电流保护du/dt保护di/dt保护过热保护过电压产生的原因

外部原因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起浪涌过电压：雷击等外来冲击引起的过电压内部原因换相过电压：器件恢复阻断能力时，反向恢复电流急剧减小，因而在线路电感上产生过电压。关断过电压：当器件关断时，正向电流迅速减小，因而在线路电感上产生过电压

注：换相过电压和关断过电压也属于操作过电压，它们都是由电磁过程引起的过电压，而浪涌过电压则是有外部侵入的偶然性过电压过电流产生的原因一、晶闸管的保护措施

常用保护措施：过电压保护、过电流保护、du/dt限制、di/dt限制（1）过电压保护

阻容吸收回路：能有效抑制操作过电压，可接在电路交流侧、直流侧或并接在晶闸管阳极与阴极之间由硒堆及压敏电阻等非线性元件造成吸收回路：能有效抑制浪涌过电压，可接在变流装置的进线端（2）过电流保护快速熔断器电流继电器、过负荷继电器、直流快速断路器等快速熔断器的接法快速熔断器的接法（a）串联接法（b）接交流侧（c）接直流侧（3）du/dt限制造成du/dt过大的原因：（1）由电网侵入的过电压造成，（2）由晶闸管换相造成限制方法：在变流装置的进线端串电感和在晶闸管桥臂上串电感（4）di/dt限制造成di/dt过大的原因：（1）晶闸管导通时阻容保护电容向晶闸管放电（2）晶闸管换相限制方法：在晶闸管桥臂上串电感晶闸管的串联运行二、功率MOSFET的保护

常用的保护措施：（1）防止静电击穿（在测试、焊接、存放过程中）（2）过电压保护：防止栅极开路工作、缓冲电路、主电路跳闸（2）过电流保护：检测到电流异常时迅速撤除驱动信号（4）过热保护：利用温度传感器检测管子的壳温，当超过允许温度时迅速撤除驱动信号（5）du/dt限制：加缓冲电路三、IGBT的保护

常用的保护措施：（1）过电流保护：通过检出的过电流信号迅速切断驱动信号（2）过电压保护：防止栅极开路工作、缓冲电路、主电路跳闸（3）过热保护：利用温度传感器检测管子的壳温，当超过允许温度时迅速撤除驱动信号（4）du/dt限制：加缓冲电路IGBT的过电流保护IGBT的过电流识别方法（检测原理）：在正常工作时，IGBT的通态饱和电压降Uon与集电极电流IC呈近似线性变化的关系，识别Uon的大小即可判断IGBT集电极电流的大小IGBT的过电流保护原理和电路过电流保护要注意的问题保护时间（识别时间＋关断时间）必须小于IGBT对短路过电流的允许承受时间识别时间：一般为10秒。检测到过流后，先减小柵极驱动电压UGE，以延长过电流的允许承受时间，当10秒后过电流仍存在则关断IGBT关断方法：采用“慢速关断”，正常情况下V3导通，检测到真短路后V3截止，使放电速度减慢，慢速关断过电流时若以正常速度关断，则会因di／dt过大而产生很高的尖峰电压短路过电流慢速切断原理示意图（a）慢速关断电路（b）关断过程11.5电力电子器件的缓冲电路

缓冲电路（Snubber