第9章電力電子器件應用的共性問題

9.1電力電子器件的驅動

9.2電力電子器件的保護

9.3電力電子器件的串聯使用和并聯使用

本章小結9.1電力電子器件的驅動

9.1.1電力電子器件驅動電路概述

9.1.2晶閘管的觸發電路

9.1.3典型全控型器件的驅動電路

返回上頁下頁9.1.1電力電子器件驅動電路概述■驅動電路

◆是電力電子主電路與控制電路之間的接口。◆良好的驅動電路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。◆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

◆按控制目標的要求給器件施加開通或關斷的信號。

◆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。返回上頁下頁9.1.1電力電子器件驅動電路概述■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

?光耦合器由發光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內。

?有普通、高速和高傳輸比三種類型。

◆磁隔離的元件通常是脈沖變壓器

?當脈沖較寬時，為避免鐵心飽和，常采用高頻調制和解調的方法。

ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖9-1光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型

返回上頁下頁9.1.1電力電子器件驅動電路概述■驅動電路的分類

◆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，可以將電力電子器件分為電流驅動型和電壓驅動型兩類。

◆晶閘管的驅動電路常稱為觸發電路。■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成驅動電路。返回上頁下頁9.1.2晶閘管的觸發電路IIMt1t2t3t4圖9-2理想的晶閘管觸發脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時間（<1s）t1~t3強脈沖寬度IM強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）

■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。◆晶閘管觸發電路往往還包括對其觸發時刻進行控制的相位控制電路。

◆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，比如對感性和反電動勢負載的變流器應采用寬脈沖或脈沖列觸發。

?觸發脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達1~2A/s。

?觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發區域之內。

?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。

返回上頁下頁9.1.2晶閘管的觸發電路圖9-3常見的晶閘管觸發電路■常見的晶閘管觸發電路

◆由V2、V3構成的脈沖放大環節和脈沖變壓器TM和附屬電路構成的脈沖輸出環節兩部分組成。

◆當V2、V3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V2、V3由導通變為截止時脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設的。

◆為了獲得觸發脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它電路環節。

返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅動電路OttOuGiG圖9-4推薦的GTO門極電壓電流波形■電流驅動型器件的驅動電路

◆GTO和GTR是電流驅動型器件。◆GTO

?開通控制與普通晶閘管相似，但對觸發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。

?GTO一般用于大容量電路的場合，其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。

幅值需達陽極電流的1/3左右，陡度需達50A/s，強負脈沖寬度約30s，負脈沖總寬約100s施加約5V的負偏壓，以提高抗干擾能力。返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅動電路圖9-5典型的直接耦合式GTO驅動電路

?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；缺點是功耗大，效率較低。√電路的電源由高頻電源經二極管整流后提供，VD1和C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+15V電壓，VD4和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。

返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅動電路tOib◆GTR

?開通的基極驅動電流應使其處于準飽和導通狀態，使之不進入放大區和深飽和區。?關斷時，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。√VD2和VD3構成貝克箝位電路，是一種抗飽和電路，可使GTR導通時處于臨界飽和狀態；√C2為加速開通過程的電容，開通時R5被C2短路，這樣可以實現驅動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。

?驅動GTR的集成驅動電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。圖9-6理想的GTR基極驅動電流波形圖9-7GTR的一種驅動電路

返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅動電路圖9-8電力MOSFET的一種驅動電路■電壓驅動型器件的驅動電路

◆電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。

◆為快速建立驅動電壓，要求驅動電路具有較小的輸出電阻。

◆使電力MOSFET開通的柵源極間驅動電壓一般取10~15V，使IGBT開通的柵射極間驅動電壓一般取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。

◆電力MOSFET

?包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；當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。

返回上頁下頁9.1.3典型全控型器件的驅動電路圖9-9M57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖

?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。◆IGBT

?多采用專用的混合集成驅動器，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）。返回上頁下頁

9.2.1過電壓的產生及過電壓保護

9.2.2過電流保護

9.2.3緩沖電路9.2電力電子器件的保護返回上頁下頁9.2.1過電壓的產生及過電壓保護■過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。■外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因，包括

◆操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓。◆雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。■內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括

◆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，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。

◆關斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。

返回上頁下頁9.2.1過電壓的產生及過電壓保護圖9-10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■過電壓抑制措施及配置位置

◆各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。

◆RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施。

返回上頁下頁9.2.1過電壓的產生及過電壓保護圖9-11RC過電壓抑制電路聯結方式a)單相b)三相圖9-12反向阻斷式過電壓抑制用RC電路◆抑制外因過電壓，采用RC過電壓抑制電路。◆對大容量的電力電子裝置，可采用圖9-12所示的反向阻斷式RC電路。◆采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。

返回上頁下頁9.2.2過電流保護圖9-13過電流保護措施及配置位置■過電流分過載和短路兩種情況。

■過電流保護措施及其配置位置

◆快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。

◆通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護，過電流繼電器整定在過載時動作。

返回上頁下頁9.2.2過電流保護◆快速熔斷器（簡稱快熔）

?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。

?選擇快熔時應考慮

√電壓等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。

√電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定。

√快熔的t值應小于被保護器件的允許t值。

√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可分為全保護和短路保護兩種。

√全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。

√短路保護：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，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，器件對電流的響應是最快的。返回上頁下頁9.2.3緩沖電路■緩沖電路（SnubberCircuit）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。■分類

◆分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路

?關斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。

?開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。

?復合緩沖電路：關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起。◆還可分為耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路

?耗能式緩沖電路：緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。?饋能式緩沖電路：緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，也稱無損吸收電路。

◆通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，而將開通緩沖電路區別叫做di/dt抑制電路。

返回上頁下頁9.2.3緩沖電路b)tuCEiCOdidt抑制電路時無didt抑制電路時有有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖9-14di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形■緩沖電路

◆圖9-14a給出的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖。

◆在無緩沖電路的情況下，di/dt很大，關斷時du/dt很大，并出現很高的過電壓，如圖9-14b。◆在有緩沖電路的情況下

?V開通時，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因為Li的作用，iC的上升速度減慢。

?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。?因為關斷時電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會出現一定的過電壓。

返回上頁下頁9.2.3緩沖電路ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖9-15關斷時的負載線圖9-16另外兩種常用的緩沖電路a)RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路

◆關斷過程

?無緩沖電路時，uCE迅速上升，負載線從A移動到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移動到C。

?有緩沖電路時，由于Cs的分流使iC在uCE開始上升的同時就下降，因此負載線經過D到達C。

?負載線在到達B時很可能超出安全區，使V受到損壞，而負載線ADC是很安全的，且損耗小。◆另外兩種常用的緩沖電路形式

?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。

?晶閘管在實際應用中一般只承受換相過電壓，沒有關斷過電壓問題，關斷時也沒有較大的du/dt，因此一般采用RC吸收電路即可。

返回上頁下頁9.3電力電子器件的串聯使用和并聯使用

9.3.1晶閘管的串聯

9.3.2晶閘管的并聯

9.3.3電力MOSFET的并聯和IGBT的并聯返回上頁下頁9.3.1晶閘管的串聯圖9-17晶閘管的串聯a)伏安特性差異b)串聯均壓措施■對較大型的電力電子裝置，當單個電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件串聯或并聯起來工作，或者將電力電子裝置串聯或并聯起來工作。

■晶閘管的串聯

◆當晶閘管的額定電壓小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯。

◆靜態不均壓問題

?由于器件靜態特性不同而造成的均壓問題。?為達到靜態均壓，首先應選用參數和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。◆動態不均壓問題

?由于器件動態參數和特性的差異造成的不均壓問題。

?為達到動態均壓，同樣首先應選擇動態參數和特性盡量一致的器件，另外還可以用RC并聯支路作動態均壓；對于晶閘管來講，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。

Rp的阻值應比任何一個器件阻斷時的正、反向電阻小得多返回上頁下頁9.3.2晶閘管的并聯■晶閘管的并聯

◆大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯來承擔較大的電流。