电力电子技术-2.6-DRV

1-12.6

电力电子器件器件的驱动2.6.1电力电子器件驱动电路概述2.6.2晶闸管的触发电路2.6.3典型全控型器件的驱动电路1-22.6.1电力电子器件驱动电路概述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、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设计在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路——主电路与控制电路之间的接口1-32.6.1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，一般采用光隔离或磁隔离。

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图1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型1-42.6.1电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。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。分类1-52.6.2晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2

脉冲前沿上升时间（<1

s）t1~t3

强脉宽度IM

强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4

脉冲宽度I

脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）晶闸管的触发电路1-62.6.2晶闸管的触发电路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。图1-27常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路1-72.6.3

典型全控型器件的驱动电路(1)GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。图1-28推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG1)

电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、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。1-82.6.3

典型全控型器件的驱动电路直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路＋5VC2C3D2D3倍压＋15V-15V强脉冲平脉冲关断脉冲无控制时负压关断1-92.6.3

典型全控型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V。关断时可用0电压，但加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-10V）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5～10W可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路1-102.6.3

典型全控型器件的驱动电路(1)电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。

1-112.6.3

典型全控型器件的驱动电路(2)IGBT的驱动

M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。

多采用专用的混合集成驱动器。IGBT绝缘栅较薄，过高的门极驱动电压（>30V)可能导致击穿,应用中应注意防止驱动布线电感引起的电压振荡1-12IGBT驱动技术要点一定幅值的正反向门极驱动电压：正压越大，导通压降越小，通态损耗越小，但同时也使承受短路电流时间变短，可能引起振荡使门极损坏。一般不允许超过＋20V。关断反压一般为－5～－15V。负压关断可减少关断损耗，提高可靠性。电隔离、信号传输延时可忽略。门极回路必须串联合适门极电阻，控制门极电压的前后沿陡度：减小可降低开关损耗，但同时增大开通时的di/dt，增加续流二极管恢复时的浪涌电压。一般取9～30欧姆。具有过压、短路、du/dt保护功能。1-13常用IGBT混合集成驱动电路TLP520/530

光电隔离、可直接驱动50A/1200V以内IGBT。M57962L

含过流保护，光电隔离。可直接驱动600V/400A,1200V/400A以内IGBT。SCALE系列集成驱动器【瑞士】可驱动400～1200A/1700VIGBT模块接口简单，可处理5～15V标准逻辑电平信号，单15V电源。开关频率0～100KHz。具有过流、短路保护EXB系列（EXB850/851/840/841)：标准10kHz,高速40kHz。光电隔离，单电源，过流保护。可驱动600V/150A~400A,1200V/75A~300AIGBT模块。1-142.7电力电子器件器件的保护2.7.1过电压的产生及过电压保护【阅读】2.7.2过电流保护【阅读】2.7.3缓冲电路1-152.7.3

缓冲电路关断缓冲电路（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。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。复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路(SnubberCircuit)

：

又称吸收电路，抑制器件的过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。1-16b)tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC1.7.3

缓冲电路缓冲电路作用分析无缓冲电路：有缓冲电路：图1-38

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ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO

图1-39关断时的负载线关断时负载电流通过二极管向电容分流减轻V的负担，抑制du/dt和过电压。开通时电容为V提供初始电流。抑制开通时V电流的迅速上升，同时在关断时提供放电回路。1-171.7.3

缓冲电路充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。

di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路1-18关断的RCD缓冲无缓冲时，关断前电流为I0,给VT适当的关断信号，VT开始关断，端电压假定线性上升，在等于电源电压前，续流管反偏不能导通，因此VT继续流过电流I0。管压略高于电源电压后，D1导通续流，管电流线性（假定）下降到0完成关断。有缓冲时，关断前电流为I0,给VT适当的关断信号，VT开始关断，因端电压上升到等于电源电压前，续流管反偏不能导通，随功率开关电流下降，电流I0被逐渐转移到缓冲回路。假定管电流线性下降，则管压等于电容电压按电容充电常数上升。直到充达略高于电源电压，使续流管D1导通。最大电压上升率发生在电流降为0时；max(duvt/dt)=I0/C当器件要求控制最大电压上升率时可据此选择电容。电阻限制电容放电电流抑制开通时管电流冲击，并消耗电容储能。1-19IGBT的缓冲电路正常感性负载下，IGBT开关环境相当恶劣缓冲电路基本形式布线电感开通缓冲关断缓冲无缓冲关断：SWUZV,损耗大关断过压开通VbWS,损耗也较大1-20关断换流期特点T-CS换流(f,g)CS-D0换流(h,I,j)关断损耗显著降低1-21开通换流期特点uce线性下降,iL缓升。t=2,iL<<I0,uce=0,uL=Ud,iL线性上升。因开通缓冲需在主电流通道串入电感，大功率条件下会显著增加变换器体积和能耗，一般较少采用。但布线电感总是存在的。1-22一种常见的桥臂结构缓冲电路

假定负载电感充分大，输出电流基本i0恒定。1-23T1导通区(a)：

1-241-25CS放电（d）

参数选择：电路特点：关断过电压可有效抑制；Cs不经导通器件放电；关断电压上升率不能抑制。其它电路电压双象限、四象限桥式

1-26小结：缓冲电路的主要作用是抑制器件在开关过程中可能出现的过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。1-272.8电力电子器件器件的串联和并联使用【略】2.8.1晶闸管的串联2.8.2晶闸管的并联2.8.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点1-282.8.1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。1-292.8.1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。1-302.8.2

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1-312.8.3电力MOSFET和IGBT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。IGBT并联运行的特点在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。在1/2或1/3额定电流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。电力MOSFET并联运行的特点1-32电力电子器件分类“树”

本章小结主要内容全面介绍各种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等。集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET和SIT双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH

复合型：IGBT和MCT1-33

本章小结

特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型：

特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。电压驱动型：1-34本章小结重点掌握：电力二极管特性，特别是反向恢复电流的形成原因、特点、典型恢复时间；晶闸管的导通、关断条件；MOSFET和IGBT的工作特点、开关特性，开关、通态损耗与计算、各自的优缺点、主要参数与最佳使用场合，对驱动的要求。缓冲电路的作用、RCD缓冲原理。1-35

本章小结

IGBT为主体，第六代产品，制造水平4.5kV/4.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，目前已在兆瓦级取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。当前逐渐受到IGCT挑战。光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压【100V范围】，地位牢固，正向600V拓展。功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。当前的格局:1-36功率电子的主要国际期刊和会议期刊：IEEETransactionson～AerospaceandSyatems～IndustrialElectronics～IndustryApplications～PowerElectronics会议：AppliedPowerElectronicsConference(APEC)EuropeanPowerElectronicsConference(EPEC)IEEEIndustrialElectronics