第一章电力电子器件驱动及串并联课件

§1.6电力电子器件器件的驱动§1.6.1电力电子器件驱动电路概述§1.6.2晶闸管的触发电路§1.6.3典型全控型器件的驱动电路§1.6电力电子器件器件的驱动§1.6.1电力电子器1§1.6.1电力电子器件驱动电路概述一．驱动电路作用：主电路与控制电路之间的接口

★使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性有重要的意义；

★器件或整个装置的保护电路通常设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。二．驱动电路的基本任务★将信息电子电路传来的控制信号按要求转换成加在电力电子器件控制端与公共端之间的驱动信号，保证其可靠开通或关断；★

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，又提供关断控制信号；★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，电气隔离环节一般采用光电隔离或磁电隔离的型式。§1.6.1电力电子器件驱动电路概述一．驱动电路作用：主2§1.6.1电力电子器件驱动电路概述★光隔离一般采用光耦合器★磁隔离的元件通常是脉冲变压器ERERERA）普通型

B）高速型C）高传输比型UINUOUTIDR1R1R1IC§1.6.1电力电子器件驱动电路概述★光隔离一般采用光3§1.6.1电力电子器件驱动电路概述三．从提供的驱动信号的类型可分为两类1．电流驱动型驱动电路2．电压驱动型驱动电路四．从电路的具体形式可为两种类型1．分立元件驱动电路2．专用集成驱动电路但目前的趋势是采用专用集成驱动电路

★双列直插（数字）式集成驱动电路；★混合集成驱动电路（将光耦隔离电路也集成在内）；★为达到参数的最佳配合，器件厂家生产有配套的集成驱动电路；★不同的电力电子器件都有自己的专用集成驱动电路。§1.6.1电力电子器件驱动电路概述三．从提供的驱动信号4§1.6.2晶闸管的触发电路一．作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管的可靠导通图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形二．对晶闸管触发电路的要求1．脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；（IA大于擎住电流IL）2．触发脉冲应有足够的幅度

3．不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。4．应有良好的抗干扰性能和温度稳定性以及与主电路的电气隔离。t1~t2：脉冲前沿上升时间<1st1~t3：强脉宽度t1~t4：脉冲宽度≥0.5mSIGT

：最大触发电流Itt1t2t3t4IM强脉冲幅值3IGT~5IGT脉冲平顶幅值1.5IGT~2IGT§1.6.2晶闸管的触发电路一．作用：产生符合要求的门5§1.6.2晶闸管的触发电路三．常见的晶闸管触发电路（1）V1、V2构成脉冲放大环节（2）脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2★

V1、V2

导通时，通过脉冲变压器TM向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲；★当V1、V2由导通变为截止时，脉冲变压器通过VD1

和R3释放其储存的能量。图1-27常见的晶闸管触发电路§1.6.2晶闸管的触发电路三．常见的晶闸管触发电路TM6§1.6.3典型全控型器件的驱动电路一．电流驱动型器件的驱动电路★

其开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，一般需在整个导通期间施加正门极电流；★

其关断时需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极之间施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力；★驱动电路通常包括开通、关断驱动电路和门极反偏电路三部分；★可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。图1-28推荐的GTO门极电压电流波形1．GTO的驱动电路OttOuGiG正的门极电流5V的负偏压§1.6.3典型全控型器件的驱动电路一．电流驱动型器件的7★该电路是目前应用较广的一种电路，他可避免电路内部相互干扰和寄生振荡，获得较陡的脉冲前沿，但其功耗大，效率较低●

V1导通输出正强脉冲；V2

导通输出脉冲平顶部分●

V2

关断而V3

导通输出负脉冲；V3关断后R3和R4提供门极负偏压典型的直接耦合式GTO驱动电路50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4+15V+5V-15VVD1

C1整流电路提供＋5V电压VD2VD3C2C3倍压整流电路提供＋15VVD4

C4整流电路提供－15V电压★该电路是目前应用较广的一种电路，他可避免电路内部相互干扰8一．电流驱动型器件的驱动电路2．GTR的驱动电路★开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区；★关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。

图1-30理想的GTR基极驱动电流波形tOib关断GTR时，施加一定的负基极电流，有利于减小：关断时间

关断损耗一．电流驱动型器件的驱动电路2．GTR的驱动电路★开通驱9★

一种GTR的驱动电路：包括电气隔离和晶体管放大电路两部分●

如V5驱动电流过大，会使V过饱和。贝克箝位电路（抗饱和电路）会在V过饱和时，因其集电极电位低于基极电位，VD2自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc≈0；●

C2为加速电容，V5导通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲、增加前沿陡度，以加快开通。光电隔离VD2,VD3构成贝克箝位电路VS双向稳压管★一种GTR的驱动电路：包括电气隔离和晶体管放大电路两部分10二．电压驱动型器件的驱动电路★驱动电路的基本特征：●电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件；●栅源间、栅射间存在数千皮法的电容，为加快栅源间驱动电压的建立，要求驱动电路的输出电阻尽可能小；●

MOSFET开通的驱动电压一般为：10～15VIGBT开通的驱动电压一般为：15～20V●关断时要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；●在栅极串入一只数十欧左右的电阻，可以减小寄生振荡。二．电压驱动型器件的驱动电路★驱动电路的基本特征：11二．电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET的一种驱动电路★专用MOSFET混合集成驱动电路M57918L（三菱公司产品），输出最大脉冲电流：＋2A和－3A，输出驱动电压：15V和－10V；输入信号电流幅值：16mA。●

无输入信号时，A输出负电平，V3导通输出负驱动电压；●

有输入信号时，A输出正电平，V2导通输出正驱动电压；

1．MOSFET的驱动电路：光电隔离高速放大器放大驱动电路二．电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET的一种驱动电122．IGBT的驱动：多采用专用的混合集成驱动器如：三菱公司的M579系列：M57959L、M57962L；富士公司的EXB系列：EXB840、EXB850等；

图1－33

M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图★具有内部退饱和检测和保护环节，产生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路输出故障信号。★M57962L的正驱动电压：＋15V左右，负驱动电压：－10V。2．IGBT的驱动：多采用专用的混合集成驱动器

图1－3313§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）§1.7电力电子器件器件的保护§1.7.1过14§1.7.1过电压的产生及过电压保护一．电力电子装置可能的过电压1．外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程等外部因素引起

●

操作过电压由分闸、合闸等开关操作引起；

●雷击过电压由雷电引起；2．内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

●

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，有较大的反向电流流过，当恢复阻断能力时，反向电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出过电压；

●

关断过电压全控型器件关断时，正向电流迅速降低而因线路电感在器件两端感应出的过电压§1.7.1过电压的产生及过电压保护一．电力电子装置可能15二．电力电子装置的过电压保护●上述保护电路视具体情况采用其中的几种；●

其中RC3

和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。图1-34过电压抑制措施及配置位置阀侧浪涌过电压抑制用RC电路空气开关静电感应过电压抑制电容刀开关变压器静电屏蔽层避雷器直流侧RC抑制电路器件换相过电压抑制用RC电路压敏电阻过电压抑制器阀侧浪涌过电压抑制反向阻断式RC电路器件关断过电压抑制用RCD电路二．电力电子装置的过电压保护●上述保护电路视具体情况采用16§1.7.2过电流保护一．过电流：分为过载和短路两种情况

★快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器（仅适用晶闸管）负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37过电流保护措施及配置位置§1.7.2过电流保护一．过电流：分为过载和短路两种情况17二．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；★

快熔是电力电子装置中有效和应用广泛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；（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●

全保护方式：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；二．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18二．过电流保护措施★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）采用电子电路进行过电流保护；★全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节

对器件的过电流响应最快；★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，实现保护；二．过电流保护措施★对重要的且易发生短路的晶闸管设备或全控19§1.7.3缓冲电路（SnubberCircuit）★缓冲电路又称吸收电路，用于抑制器件的：内因过电压、过电流、du/dt、di/dt，减小器件的开关损耗一．缓冲电路的分类

1．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

2．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3．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

●按吸收能量去向分类：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）

●通常缓冲电路用于专指：关断缓冲电路而将开通缓冲电路叫做：di/dt抑制电路§1.7.3缓冲电路（SnubberCircuit）★20二．缓冲电路作用分析a）电路b）波形di/dt

抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形关断时的负载线●

有缓冲电路当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●有缓冲电路当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

和过电压开通时电流迅速上升di/dt很大关断时du/dt很大出现很高的过电压二．缓冲电路作用分析a）电路21充放电型RCD缓冲电路适用于中等容量的场合

a）RC吸收电路b）放电阻止型吸收电路

两种常用的缓冲电路RC

缓冲电路主要用于小容量器件放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件充放电型RCD缓冲电路适用于中等容量的场合a）RC22三．缓冲电路中的元件选取及其他注意事项1．Cs和Rs的取值可由实验确定或参考工程手册2．VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/103．尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容4．在中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路5．对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容6．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吸收电路即可三．缓冲电路中的元件选取及其他注意事项1．Cs和Rs的取23§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§1.8电力电子器件器件的串联和并联使用§1.824§1.8.1晶闸管的串联一．串联使用的目的和问题1．目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可采用串联使用的方法2．问题：串联时希望器件分压相等，但因器件特性的差异，使每个器件承受的电压不均匀，必须采取均压措施★静态时电压不均：因器件静态伏安特性的分散性，串联器件流过相同的漏电流，但各器件承受的电压不相等

●

承受电压高的器件可能达到转折电压而导通，从而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★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§1.8.1晶闸管的串联一．串联使用的目的和问题1．目的25§1.8.1晶闸管的串联二．静态均压措施和动态均压措施1．静态均压措施●器件参数和特性尽量一致●

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

a)伏安特性差异

b)串联均压措施

图1-41晶闸管的串联

2．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§1.8.1晶闸管的串联二．静态均压措施和动态均压措施126§1.8.2晶闸管的并联一．目的：用多个器件并联来承担较大的电流二．问题：因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀三．均流措施：1．尽量挑选特性参数一致的器件并联2．在线路中串接均流电抗进行均流3．对门极触发采用强脉冲也有助于动态均流4．当晶闸管同时需要串并联时，应采用先串后并的方法联接§1.8.2晶闸管的并联一．目的：用多个器件并联来承担较27§1.8.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点一．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；二．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；§1.8.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特28本章小结一．主要内容★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★电力电子器件在使用时应注意的驱动、保护和串、并联等问题电力电子器件分类“树”MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（（GTR本章小结一．主要内容★主要电力电子器件的29二．电力电子器件类