1、第九章 電力電子器件的驅動與保護 9.1.1 電力電子器件驅動電路概述驅動電路主電路與控制電路之間的接口，是電力裝置的重要環節，對整個裝置的性能有很大的影響。使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。驅動電路的基本任務：將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。單從原理上說，驅動電路主要起開關功

2、率放大的作用，即脈沖放大器。但是電力電子器件的開關特性與驅動電路的性能密切相關。同樣的器件，采用不同的驅動電路往往會得到不同的開關特性。 驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器磁隔離的元件通常是脈沖變壓器光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質分，可分為電流驅動型和電壓驅動型。驅動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路。 為達到參數最佳配合，首選所用器件生產廠家專門開發的集

3、成驅動電路。9.1.2 晶閘管的觸發電路作用：產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。廣義上講，整個觸發電路應包括相位控制電路和觸發脈沖的放大及輸出環節。今天我們先討論放大、輸出部分，相控部分后面講述。晶閘管觸發電路應滿足下列要求：觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通（結合擎住電流的概念）。 一般：電阻性負載電路 2050s 電感性負載電路 1ms 三相電路 寬脈沖、雙窄脈沖（=600）觸發脈沖應有足夠的幅度。 為使并聯的晶閘管能同時導通，要求能夠產生強觸發脈沖。 強觸發電流的幅值為一般觸發電流的5倍左右。 3）應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。4）

4、不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發區域之內。5）各觸發脈沖必須同步，移相范圍符合要求。 常見的晶閘管觸發電路理想的晶閘管觸發脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）V1、V2構成脈沖放大環節脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環節V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導通變為截止時脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設 。9.1.3 典型全控型器件的驅動電路1. 電流驅動型器件的驅動電路1) GTOGTO的開通控制與普通

5、晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導通期間施加正門極電流。使GTO關斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力。推薦的GTO門極電壓電流波形GTO驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。直接耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應用較廣，但其功耗大，效率較低。典型的直接耦合式GTO驅動電路：典型的直接耦合式GTO驅動電路 二極管VD1和電容C1提供+5V電壓VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+1

6、5V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開通時，輸出正強脈沖 V2開通時輸出正脈沖平頂部分 V2關斷而V3開通時輸出負脈沖 V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓理想的GTR基極驅動電流波形2) GTR開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態，使之不進入放大區和深飽和區。關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。GTR的一種驅動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分GTR的一種驅動電路 二極管VD2和電位補償二極管VD3構成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負載較輕時，如V5發射極電流全注入V，會使V過飽和。有了

7、貝克箝位電路，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2會自動導通，使多余的驅動電流流入集電極，維持Ubc0。 C2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路?？蓪崿F驅動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。電壓驅動型器件的驅動電路柵源間、柵射間有數千皮法的電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅動電壓一般15 20V。關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取 -5 -15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。1) 電力

8、MOSFET的一種驅動電路： 電氣隔離和晶體管放大電路兩部分電力MOSFET的一種驅動電路 無輸入信號時高速放大器A輸出負電平,V3導通輸出負驅動電壓。 當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓。 專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。 2) IGBT的驅動 多采用專用的混合集成驅動器M57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖 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、EXB8

9、50和EXB851） 內部具有退飽和檢測和保護環節，當發生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。 M57962L輸出的正驅動電壓均為+15V左右，負驅動電壓為 -10V。相對于電機、繼電器和接觸器等控制電器而言，晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，其擊穿電壓比較接近工作電壓，所以短時間的過電壓和過電流就會把器件損壞。若以暫時的過電壓、過電流的數值確定參數，又會造成浪費，為了充分發揮器件應有的過載能力，保護措施就是提高電力電子裝置可靠能力的重要環節。保護的目的有兩個： 防止故障的發生 減小故障后的損失9.2.1過電壓的產生及過電壓保護電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和

10、內因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外因 (1) 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起電容、電感中存儲的能量的瞬間釋放產生的過電壓。 (2) 浪涌（雷擊）過電壓：由雷擊等偶然原因引起的從電網側進入變流裝置的過電壓，其幅值很高內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程 (1) 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。 (2) 關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。保護原則：將過電壓的幅值抑制

11、到安全的限度以內。 圖1-34過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側RC抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路過電壓保護措施供電網一側稱網側（交流側），電力電子電路一側稱閥側（直流側）保護中主要使用:非線性元件限制幅度; 用電阻消耗能量; 用儲能元件吸收能量其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，

12、典型聯結方式見下圖。RC過電壓抑制電路聯結方式a)單相b)三相 RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側（供電網一側稱網側，電力電子電路一側稱閥側），或電力電子電路的直流側。大容量電力電子裝置可采用圖所示的反向阻斷式RC電路反向阻斷式(三相整流式)過電壓抑制用RC電路參數計算： 單相阻容保護時電阻、電容的計算 對阻容保護還不能吸收或抑制的過電壓就要用非線性元件進行保護了。非線性元件包括：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等。i%:變壓器激磁電流百分比UK%:變壓器的短路電壓百分比S:變壓器容量U2:變壓器二次側二次側相電壓有效值過電流當變流裝置內部某一器件擊穿，或者出

13、現短路，觸發電路發生故障，外部出現過載，直流側短路，可逆系統產生換流或逆變失敗，以及電源電壓過高或過低，缺相等，均可能引起電流超過正常工作電流。 9.2.2過電流的保護 常用措施如下圖過電流保護措施及配置位置采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。一般有三種接法。選擇快熔時應考慮：(1)電壓等級根據熔斷后快熔實際承受的電壓確定。(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定。(3)快熔的I 2t值應小于被保護器件的允許I 2t值。(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種全保護：過載、短路均由

14、快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護方式：快熔只在短路電流較大的區域起保護作用。對重要的且易發生短路的晶閘管設備，或全控型器件（很難用快熔保護），需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環節，響應最快 。9.2.3 緩沖電路緩沖電路又稱為吸收電路，主要是用于抑制電力電子器件的內因過電壓、 過電流、du/dt 、di/dt，減小器件的開關損耗。緩沖電路又可分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路，分別抑制du/dt 和di/dt。關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起使用時稱為復合緩沖電路。若使用電阻吸收儲能元件中的能量，則稱為耗能式緩沖電路；若將儲能元

15、件中的能量回饋給負載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路。通常緩沖電路專指關斷緩沖電路，而將開通緩沖電路稱為di/dt抑制電路。緩沖電路作用分析無緩沖電路：V開通時電流迅速上升，di/dt很大。關斷時du/dt很大，并出現很高的過電壓。有緩沖電路：V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢。V關斷時：負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓。di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a) 電路 b) 波形關斷時的負載曲線負載線ADC安全，且經過的都是小電流或小電壓區域，關斷損耗大大降低。無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應電壓

16、使VD通，負載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移到C。有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負載線經過D到達C。關斷時的負載線充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合。 下圖表示出另兩種，其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件。另外兩種常用的緩沖電路RC吸收電路放電阻止型RCD吸收電路緩沖電路中的元件選取及其他注意事項Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊。VDs必須選用快恢復二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10。盡量減小線路電感，且選用內部電感小的吸收電容。中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側設

17、一個du/dt抑制電路。對IGBT甚至可以僅并聯一個吸收電容。晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關斷過電壓，關斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可。9.3 電力電子器件器件的串聯和并聯使用 9.3.1 晶閘管的串聯 9.3.2 晶閘管的并聯 9.3.3 電力MOSFET和IGBT并聯運行的特點 9.3.1 晶閘管的串聯目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯。問題：理想串聯希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻。靜態不均壓：串聯的器件流過的漏電流相同，但因靜態伏安特性的分散性，各器件分壓不等。承受電壓高的器件首先達到轉折電壓而導通，使另一個器件承擔全部電壓也導通，失去控制作用。反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。靜態均壓措施：選用參數和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，Rp的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。晶閘管的串聯a)伏安特性差異b)串聯均壓措施動態不均壓由于器件動態參數和特性的差異造成的不均壓。動態均壓措施：選擇動態參數和特性盡量一致的器件。用RC并聯支路作動態均壓。采用門極強脈沖觸發可以顯著減小器件開通時間上的差異。降低電壓額定值使用。 9.3.2 晶閘管的并聯目的：多個器件并聯來承擔較大的電流問題：會分別因靜態和動態特性參數的差異而電流分配不均勻。均流措施：挑選特性參數盡量一致的器件。強迫分流法動態均流