第三章 电力电子器件的驱动和保护

第三节电力电子器件的驱动和保护本章重点第一节晶闸管触发电路第二节电力电子器件的驱动第三节电力电子器件的保护第四节电力电子器件的缓冲电路本章小结本章重点掌握触发电路的基本要求、电路构成及工作原理；熟悉电力电子器件的驱动要求和驱动电路的原理及组成；掌握电力电子器件的各种保护及扩容方法；了解电力电子器件的缓冲电路的原理和作用；第一节晶体管触发电路1.简介：为了减少门极损耗与确保触发时刻的准确性，门极电压、电流均采用脉动形式。一、对晶闸管触发电路的要求1）触发信号应有足够的功率（电压、电流）

1.电压、电流必须大于产品提供的参数；

2.不得超过规定的门极最大允许峰值电压、电流2）对触发信号的波形要求

1.脉冲有一定宽度：保证触发间阳流能到达IL；

2.脉冲前沿叠加强触发：快速可靠触发（大功率）3）触发脉冲的同步及移相范围

1.同步：触发脉冲与阳极电压（电源电压波形）保存固定的相位关系；

移相范围：见书31页表1-5，见书49页表2-1

4）防止干扰与误触发误导通：由于干扰信号进入门极电路而引起误导通。处理对触发电路进行屏蔽；

隔离等干扰措施；二、晶体管触发电路

2.1单结晶体管触发电路

1.优点：简单、可靠、触发脉冲前沿陡坡、抗干扰能力强、温度补偿性能；

2.1.1单结晶体管的结构与特性

1.结构（见书33页，图1-22）

（第一基极b1第二基极b2发射极e）又称双基管

它是一种特殊的半导体器件，有三个引出端，从图1-22中可知其只有一个PN结，又称单结晶体管。

2.特性与单结晶体管振荡电路2.1.2单结晶体管自激振荡电路2.1.3单结晶体管触发电路以单相半控桥单结晶体管触发电路为例；见flash模拟。动画演示2.2晶闸管相控触发电路一、晶闸管对触发电路的要求（1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压；（2）触发脉冲应有足够的功率；（3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿应尽可能陡；（4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

二、常用的触发脉冲信号（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于触发要求不高的场合；（c）矩形脉冲；（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置；（f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。三、脉冲电路与晶闸管的连接方式

1.直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路。

2.光耦合器连接：输入和输出间电隔离，绝缘性能好，抗干

扰能力强。

3.脉冲变压器耦合连接：有良好的电气绝缘。四、

同步信号为锯齿波的触发电路动画演示

1、脉冲形成与放大环节脉冲形成环节由V4、V5构成；放大环节由V7、V8组成。控制电压uco加在V4基极上，触发脉冲由脉冲变压器TP二次输出。

1、脉冲形成与放大环节当V4的基极电压uco=0时，V4截止。电源+E1经R11供给V5基极电流，使V5饱和导通。所以V5集电极电压接近-E1，V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电源+E1经R9、V5的发射极到-E1对电容C3充电，充满后电容端电压接近2E1，极性如图所示。

1、脉冲形成与放大环节当uco≥0.7V时，V4导通。A点电位从+E1突降到1V，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位也突降到-2E1，V5基射极反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1迅速上升到钳位电压2.1V时，使得V7、V8导通，输出触发脉冲。

1、脉冲形成与放大环节同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电，使V5基极电位逐渐上升。直到V5基极电位ub5>-E1，V5又重新导通。这时V5集电极电压立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。

2、锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。

当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为

uC按线性增长，即ub3按线性增长。调节电位器RP2，可以改变C2的恒定充电电流I1C。

当V2导通时，因R4很小，所以C2迅速放电，使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定，它们分别通过电阻R6、R7、R8

与V4基极连接。

根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为

所以uh仍为锯齿波，但斜率比ue3低。同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压为

控制电压uco单独作用在V4基极时的电压为：

所以，仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小；仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。

当V4不导通时，V4的基极b4的波形由确定。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。产生触发脉冲。改变uco便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。以三相全控桥为例，当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在α=90度；当uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应α=90度的位置。当uco为0，α=90度，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角α<90度，处于整流工作状态；如uco为负值，M点就向后移，控制角α>90度，处于逆变状态。

同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形

3、同步环节同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。

同步是指锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，因Q点为零电位，R点为负电位，VD1导通，电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，C1放电后又被充电，V2截止。如此循环往复，在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。

4、双窄脉冲形成环节触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60度的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可产生符合要求的双脉冲。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角α使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔60度的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。

在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。

5、强触发环节36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，经R15对C6充电，B点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有R15的电阻，且电容C6的存储能量有限，B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时，VD15导通，B点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。

6、脉冲封锁二极管

VD5阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。

五、集成触发电路目前国内生产的集成触发器有KJ系列和KC系列，国外生产的有TCA系列，下面简要介绍由KC系列的KC04移相触发器和KC4lC六路双脉冲形成器所组成的三相全控桥集成触发器的工作原理。

1、KC04移相触发器（1）KC04移相触发器的主要技术指标如下：电源电压：DC±l5V，允许波动±5%；电源电流：正电流≤l5mA，负电流≤8mA；移相范围：≥(=30V，=l5KΩ)；脉冲宽度：400s～2ms；脉冲幅值：≥13V；最大输出能力：100mA；正负半周脉冲不均衡：≤土；环境温度：-——。（2）内部结构（3）KC04移相触发器的内部线路组成

KC04移相触发器的内部线路是由同步环节、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成及整形放大、脉冲输出等环节组成。

①同步环节V1～V4等组成同步环节，同步电压us经限流电阻R20加到V1、V2的基极。在同步电压正半波us＞0.7V时，V1导通，V4截止；在同步电压负半波us＜-0.7V时，V2、V3导通，V4截止；只有在│us│＜0.7V时，V4导通。②锯齿波形成V4截止时，C1充电，形成锯齿波的上升段，V4导通时，C1放电，形成锯齿波的下降段，每周期形成两个锯齿波。锯齿波宽度小于180°。

③移相环节

V6及外接元件组成移相环节，基极信号是锯齿波电压、偏移电压和控制电压的综合。改变V6基极电位，V6导通时刻随之改变，实现脉冲移相。

④脉冲形成

V7等组成脉冲形成环节，平时V7导通，电容C2充电为左正右负。V6导通时，其集电极电位突然下降，同时引起V7截止。电容C2放电并反充电为左负右正。当V7基极电位Ube7≥0.7V时，V7导通，V7集电极有脉冲输出。V7集电极每周期输出间隔180°的两个脉冲。

⑤脉冲分选

V8、V12组成脉冲分选环节，脉冲分选保证同步电压正半周V8截止，同步电压负半周V12截止，使得触发电路在一周内有两个相位上相差180°的脉冲输出。

KC04移相触发器的管脚分布

KC04移相触发器各脚的波形

KC04移相触发器主要用于单相或三相全控桥式装置。KC系列中还有KC0l，KC09等。KJ00l主要用于单相、三相半控桥等整流电路中的移相触发，可获得宽脉冲。KC09是KC04的改进型，两者可互换，适用于单相、三相全控式整流电路中的移相触发，可输出两路相位差180度的脉冲。它们都具有输出负载能力大、移相性能好以及抗干扰能力强的特点。2、KC04的一个典型应用电路

3、KC4lC六路双窄脉冲形成器KC4lC是六路双脉冲形成集成电路KC4lC的输入信号通常是KC04的输出，把三块KC04移相触发器的l脚与15脚产生的6个主脉冲分别接到KC4lC集成块的1~6脚，经内部集成二极管完成“或”功能，形成双窄脉冲，再由内部6个集成三极管放大，从10~15脚输出，还可以在外部设置Vl~V6晶体管作功率放大，可得到800mA的触发脉冲电流，供触发大电流的晶闸管用。KC4lC不仅具有双窄脉冲形成功能，而且还具有电子开关控制封锁功能，当7脚接地或处于低电位时，内部集成开关管截止，各路正常输出脉冲；当7脚接高电位或悬空时，饱和导通，各路无脉冲输出。4、KC4lC与KC04组成的双窄脉冲触发电路

七、触发脉冲与主电路的同步

——脉冲变压器与防误触发措施

一、同步的概念晶闸管电路的同步（或定相）：是指正确选择同步信号电压相位以及得到不同相位同步电压的方法。二、实现同步的方法具体步骤如下：1.根据不同触发电路与脉冲移相范围的要求，确定同步电压与对应晶闸管阳极电压的相位关系。2.画出对应同步相电压与线电压矢量。3.根据同步变压器一次、二次线电压位置，定出同步变压器TS的钟点数与接法。三、脉冲变压器1.脉冲变压器的作用1）阻抗匹配，降低脉冲电压增大输出电流，更好触发晶闸管；2）可改变脉冲正负极性或同时送出两组独立脉冲；3）将触发电路与主电路在电气上隔离，有利于防干扰更安全。四、防止误触发的措施具体措施如下：1.门极电路采用金属屏蔽线并将屏蔽层可靠接地。2.控制线与大电流线分开走线，触发控制部分用金属外壳单独屏蔽，脉冲变压器靠近晶闸管门极，装置的接零与接壳分开。3.在晶闸管门阴极间并联0.01-0.1uF的小电容可有效吸收高频干扰，要求高的场合可在门阴极设置反偏压。4.采用触发电流大即不灵敏的晶闸管，而触发信号为大信号强触发。第二节电力电子器件的驱动1、对GTO门极驱动信号的要求GTO门极电流电压控制波形分为开通和关断两部分，推荐波形如下图所示。图中实线为波形，虚线为波形。开通时，门极电流脉冲前沿陡度大，一般为5～10A/μS，门极正脉冲电流的幅度比规定的额定直流触发电流应大3～10倍，正脉冲宽度一般为10～60μS，而后沿应尽量平缓些。关断时，关断脉冲电流上升率一般为10～50A/μS。脉冲应具有一定的宽度，关断脉冲电流的幅度一般为(1/8～1/3)，其后沿也应尽量平缓些。(2)GTO的门控驱动电路实例二、GTR的驱动信号和驱动电路1、GTR的驱动信号GTR理想的基极电流波形如下图所示。

2、GTR的驱动电路固定反偏互补驱动电路如图示。当ui为高电平时，晶体管V1及V2导通，正电源+VCC经过电阻R3及V2向GTR提供正向基极电流，使GTR导通。当ui为低电平时，V1及V2截止而V3导通，负电源-VCC

加于GTR的发射结上，GTR迅速关断。三、P-MOSFET的栅极驱动电路1．P-MOSFET的栅极驱动电路的主要要求1）脉冲前后沿要求陡峭；2）开关速度要快；3）触发脉冲电压高压开启电压，提高触发可靠性；截止时提供负的栅极电压，防止误触发；

4）极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。2.驱动电路实例（1）栅极直接驱动电路栅极直接驱动的电路原理图（a）用一个晶体管直接驱动（b）用推挽电路驱动

(2）隔离式栅极驱动电路根据隔离元件的不同可分为电磁隔离和光电隔离两种。

电磁隔离光电耦合隔离驱动电路

四、IGBT的驱动电路

1、IGBT对驱动信号的要求（1）充分陡的脉冲上升沿和下降沿：前沿很陡的栅极电压加到G-E极间，可使IGBT快速开通，减小开通损耗；后沿足够陡的关断电压，并在G-E极间加一适当的反偏压，有助于IGBT快速关断，减少关断损耗。用内阻小的驱动源对G极电容充放电，可以保证UGE有足够陡的前后沿。（2）足够大的驱动功率：IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率及电压、电流幅值，使IGBT总处于饱和状态，不因退出饱和而损坏。（3）合适的正向驱动电压UGE

：在有短路过程的设备中，建议选用UGE=15V±l0%。

（4）合适的负偏压-UGE：在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，缩短关断时间，需施加负偏压-UGE

，同时还可防止关断瞬间因du/dt过高造成误导通，并提高抗干扰能力。反偏压

-UGE一般取-2～-10V。（5）合理的栅极电阻RG：在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的RG

。RG的范围为1～400Ω。（6）IGBT多用于高压场合，故驱动电路与整个控制电路应严格隔离。（7）利用门极控制特性，实现对IGBT的过电流、短路、管芯过热等保护。符合上述要求的IGBT典型驱动电压波形如下图所示。

符合基本要求的IGBT典型驱动电压波形2、IGBT的驱动电路实例（1）阻尼滤波门极驱动电路阻尼滤波门极驱动电路如下图a所示，为消除可能的振荡，IGBT的栅射极间接上RC网络组成的阻尼滤波器，且连线采用双绞线。

（2）光耦合器门极驱动电路如图b所示，它使信号电路与门极驱动电路隔离。驱动电路的输出级采用互补电路以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。

（3）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路该电路由控制脉冲形成单元产生的脉冲信号经晶体管V进行功率放大后，加到脉冲变压器Tr，并由Tr隔离耦合经稳压管VDZ1、VDZ2限幅后驱动IGBT，由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构，且工作频率较高。(4)定时器555组成的IGBT驱动电路555外接适当的电阻和电容就能构成多谐振荡器、单稳态电路和双稳态电路。在IGBT的驱动电路中，555的2、6端子接在一起，组成了双稳态电路结构。控制脉冲信号经光耦VL隔离后将信号经由、传送至555的2、6端。当控制信号为高电平时，2端有效，使555输出端3为低电平；当控制信号为低电平时，6端有效，使555输出端3为高电平。额定输出电流为200mA。(5)IGBT专用驱动模块的应用大多数IGBT生产厂都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系列、东芝的TK系列、三菱的M579XX系列，美国摩托罗拉的MPD系列等。东芝的M57962L型IGBT专用驱动模块是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动600V/400A和l200V/400A的IGBT，其原理方框图如下左图，应用电路如下右图。第三节电力电子器件的保护一.过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：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，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。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。一.过电压的产生及过电压保护过电压保护措施图1-34过电压抑制措施及配置位置F

避雷器D

变压器静电屏蔽层C

静电感应过电压抑制电容RC1

阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2

阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV

压敏电阻过电压抑制器RC3

阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4

直流侧RC抑制电路RCD

阀器件关断过电压抑制用RCD电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。二.过电流保护过电流——过载和短路两种情况保护措施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同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。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的保护，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。图1-37过电流保护措施及配置位置二.

过电流保护全保护：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：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种三、晶闸管的容量扩展（一）.

晶闸管的串联（二）.

晶闸管的并联（一）.晶闸管的串联问题：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。静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。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。目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。（一）.晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。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。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图1-41晶闸管的串联a)

伏安特性差异b)

串联均压措施动态均压措施：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的差异。（二）.

晶闸管的并联问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。

均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。目的：多个器件并联来承担较大的电流第四节电力电