电力电子ppt课件第1章电力电子器件驱动

1.5电力电子器件电力电子器件器件的驱动器件的驱动11.5 电力电子器件器件的驱动1.5.1 电力电子使使电电力力电电子子器器件件工工作作在在较较理理想想的的开开关关状状态态，缩缩短短开关时间，减小开关损耗。开关时间，减小开关损耗。对对装装置置的的运运行行效效率率、可可靠靠性性和和安安全全性性都都有有重重要要的的意义。意义。一一些些保保护护措措施施也也往往往往设设在在驱驱动动电电路路中中，或或通通过过驱驱动电路实现。动电路实现。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口21.5.1 电力电子器件驱动电路概述驱动电路主电路与控l按控制目标的要求施加开通或关断的信号。按控制目标的要求施加开通或关断的信号。l对半控型器件只需提供开通控制信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。l对全控型器件则既要提供开通控制信号，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。又要提供关断控制信号。晶闸管的驱动电路是专为其设计的，通常晶闸管的驱动电路是专为其设计的，通常称为称为触发电路触发电路驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：3按控制目标的要求施加开通或关断的信号。晶闸管的驱动驱驱动动电电路路还还要要提提供供控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的电电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器光耦合器的类型及接法a)普通型 b)高速型 c)高传输比型4 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，一般采按按照照驱驱动动信信号号的的性性质质分分，可可分分为为电电流流驱驱动动型型和和电电压驱动型压驱动型。驱驱动动电电路路具具体体形形式式可可为为分分立立元元件件的的，但但目目前前的的趋趋势是采用势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双双列列直直插插式式集集成成电电路路即即将将光光耦耦隔隔离离电电路路也也集集成成在在内的混合集成电路。内的混合集成电路。为为达达到到参参数数最最佳佳配配合合，首首选选所所用用器器件件生生产产厂厂家家专专门开发的集成驱动电路。门开发的集成驱动电路。分分 类类5按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。分 GTO的的开开通通控控制制与与普普通晶闸管相似。通晶闸管相似。GTO关关断断控控制制需需施施加加负门极电流。负门极电流。图图1-28推荐的推荐的GTO门极电压电流波形门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流正的门极电流5V5V的负偏压的负偏压GTO驱驱动动电电路路通通常常包包括括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和和门门极极反反偏偏电电路路三三部部分分，可可分分为为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式式和和直直接接耦耦合合式式两种类型。两种类型。(1)GTO(1)GTO61.5.2 典型全控型器件的驱动电路图1-28推荐的G直直接接耦耦合合式式驱驱动动电电路路可可避避免免电电路路内内部部的的相相互互干干扰扰和和寄寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。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。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路7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，可得到提提供供合合适适的的正正反反向向基基极极电电流流以以保证保证GTR可靠导通与关断。可靠导通与关断。实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。自动保护功能。自动保护功能。电电路路尽尽可可能能简简单单、工工作作稳稳定定可可靠、抗干扰能力强。靠、抗干扰能力强。图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形一般基极电路应具有如下功能：一般基极电路应具有如下功能：8提供合适的正反向基极电流以保证GTR可靠导通与关断。图1-开开通通驱驱动动电电流流应应使使GTR处处于于准准饱饱和和导导通通状状态态，使使之之不不进进入入放放大区和深饱和区。大区和深饱和区。关关断断GTR时时，施施加加一一定定的的负负基基极极电电流流有有利利于于减减小小关关断断时时间间和和关断损耗。关断损耗。关关断断后后同同样样应应在在基基射射极极之之间间施施加加一一定定幅幅值值（6V左左右右）的的负负偏偏压。压。9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GTRGTRGTR的的一一种种驱驱动动电电路路，包包括括电电气气隔隔离离和和晶晶体体管管放放大大电电路路两部分。两部分。图1-31GTR的一种驱动电路贝克箝位电路贝克箝位电路作用：可使作用：可使GTRGTR导通时导通时处于临界饱处于临界饱和状态和状态10GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部驱驱动动GTR的的集集成成驱驱动动电电路路中中，THOMSON公公司司的的 UAA4002和三菱公司的和三菱公司的M57215BL较为常见。较为常见。UAA4002UAA4002管脚管脚反向基极电流输出端反向基极电流输出端负电源端（负电源端（-5V-5V）输出脉冲封锁端输出脉冲封锁端输入选择端输入选择端驱动信号输入端驱动信号输入端接到接到GTRGTR的集电极的集电极正电源端（正电源端（1015V1015V）正向基极电流输出端正向基极电流输出端对对GTRGTR基极正向驱动能力为基极正向驱动能力为0.5A0.5A，反向驱动能力为，反向驱动能力为-3A-3A11驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAAUAA4002UAA4002集成驱动的实际应用集成驱动的实际应用12UAA4002集成驱动的实际应用12电力电力MOSFET和和IGBT是电压驱动型器件。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。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFET开开通通的的驱驱动动电电压压一一般般1015V，使使IGBT开开通的驱动电压一般通的驱动电压一般15 20V。关关断断时时施施加加一一定定幅幅值值的的负负驱驱动动电电压压（一一般般取取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。）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可以减小寄生振荡。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路13电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。2)电压驱动型(1)电力电力MOSFET的一种驱动电路：的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分两部分图图1-34电力电力MOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路专专为为驱驱动动电电力力MOSFET而而设设计计的的混混合合集集成成电电路路有有三三菱菱公公司司的的M57918L，其其输输入入信信号号电电流流幅幅值值为为16mA，输输出出最最大大脉脉冲冲电电流流为为+2A和和-3A，输输出出驱驱动动电电压压+15V和和-10V。14(1)电力MOSFET的一种驱动电路：图1-34电力M(2)IGBT的驱动的驱动图1-35M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常常用用的的有有三三菱菱公公司司的的M579系系列列（如如M57962L和和 M57959L）和和富富士士公公司司的的EXB系系列列（如如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。多采用专用的混合集成驱动器。多采用专用的混合集成驱动器。15(2)IGBT的驱动图1-35M57962L型IGBT1.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护1.6.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护1.6.2 过电流保护过电流保护1.6.3 缓冲电路缓冲电路161.6 电力电子器件的保护1.6.1 过电压的产生及过1.6.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压雷击过电压：由雷击引起：由雷击引起内内因因过过电电压压：主主要要来来自自电电力力电电子子装装置置内内部部器器件件的的开开关关过程过程换换相相过过电电压压：晶晶闸闸管管或或与与全全控控型型器器件件反反并并联联的的二二极极管管在在换换相相结结束束后后，反反向向电电流流急急剧剧减减小小，会会由由线线路路电电感感在在器件两端感应出过电压。器件两端感应出过电压。关关断断过过电电压压：全全控控型型器器件件关关断断时时，正正向向电电流流迅迅速速降降低低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。而由线路电感在器件两端感应出的过电压。电电力力电电子子装装置置可可能能的的过过电电压压外外因因过过电电压压和内内因因过电压过电压171.6.1 过电压的产生及过电压保护外因过电压：主要来自雷1.6.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图图1-37过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D变压器静电屏蔽层变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用阀侧浪涌过电压抑制用RC电路电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路电路RV压敏电阻过电压抑制器压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用阀器件换相过电压抑制用RC电路电路RC4直流侧直流侧RC抑制电路抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用阀器件关断过电压抑制用RCD电路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。181.6.1 过电压的产生及过电压保护过电压保护措施图1-31.6.2 过电流保护过电流保护过电流过电流过载过载和和短路短路两种情况两种情况保护措施保护措施负载负载触发电路触发电路开关电路开关电路过电流过电流继电器继电器交流断路器交流断路器动作电流动作电流整定值整定值短路器短路器电流检测电流检测电子保护电路电子保护电路快速熔断器快速熔断器变流器变流器直流快速断路器直流快速断路器电流互感器电流互感器变压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。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。实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图图1-37过电流保护措施及配置位置过电流保护措施及配置位置191.6.2 过电流保护过电流过载和短路两种情况负载1.6.2 过电流保护过电流保护全全保保护护：过过载载、短短路路均均由由快快熔熔进进行行保保护护，适适用用于于小功率装置或器件裕度较大的场合。小功率装置或器件裕度较大的场合。短短路路保保护护：快快熔熔只只在在短短路路电电流流较较大大的的区区域域起起保保护护作用。作用。对对重重要要的的且且易易发发生生短短路路的的晶晶闸闸管管设设备备，或或全全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常常在在全全控控型型器器件件的的驱驱动动电电路路中中设设置置过过电电流流保保护环节，响应最快护环节，响应最快。快快熔熔对对器器件件的的保保护护方方式式：全全保保护护和和短短路路保保护护两种两种201.6.2 过电流保护全保护：过载、短路均由快熔进行保桥臂快熔桥臂快熔交流侧快熔交流侧快熔直流侧快熔直流侧快熔21桥臂快熔交流侧快熔直流侧快熔21例例：不不用用过过电电压压、过过电电流流保保护护，选选用用较较高高电电压压等等级与较大电流等级的晶闸管行不行？为什么？级与较大电流等级的晶闸管行不行？为什么？不可以。原因：不可以。原因：u电电路路短短路路时时，短短路路电电流流一一般般很很大大，并并且且大大电电流流的的晶晶闸闸管管价价格格昂昂贵贵，所所以以电电路路中中一一定定要要设设置置过过电流保护环节。电流保护环节。u晶晶闸闸管管电电路路在在工工作作时时，由由于于操操作作过过电电压压、换换相相过过电电压压以以及及电电网网来来的的浪浪涌涌电电压压，其其尖尖峰峰值值可可达达到到电电源源电电压压幅幅值值的的好好几几倍倍，另另外外高高电电压压的的晶晶闸闸管管价价格格昂昂贵贵，所所以以不不能能用用较较高高电电压压等等级级的的管管子子，必须设置过电压保护环节。必须设置过电压保护环节。22例：不用过电压、过电流保护，选用较高电压等级与较大电流等级的1.6.3缓冲电路缓冲电路关关断断缓缓冲冲电电路路（du/dt抑抑制制电电路路）吸吸收收器器件件的的关关断断过过电压和换相过电压，抑制电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。，减小关断损耗。开开通通缓缓冲冲电电路路（di/dt抑抑制制电电路路）抑抑制制器器件件开开通通时时的的电流过冲和电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按按能能量量的的去去向向分分类类法法：耗耗能能式式缓缓冲冲电电路路和和馈馈能能式式缓缓冲冲电电路路（无损吸收电路）。（无损吸收电路）。通通常常将将缓缓冲冲电电路路专专指指关关断断缓缓冲冲电电路路，将将开开通通缓缓冲冲电电路路叫叫做做di/dt抑制电路。抑制电路。缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit)：又称又称吸收电路吸收电路，抑制器件的内因过电压、抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。减小器件的开关损耗。231.6.3 缓冲电路缓冲电路(Snubber Circ1.6.3缓冲电路缓冲电路缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路：无缓冲电路：有缓冲电路：有缓冲电路：图图1-41di/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a)电路电路 b)波形波形ADCB无缓冲电路无缓冲电路有缓冲电路有缓冲电路uCEiCO 图图1-42关断时的负载线关断时的负载线241.6.3 缓冲电路缓冲电路作用分析图1-41di/1.6.3缓冲电路缓冲电路充充放放电电型型RCD缓缓冲冲电电路路，适用于中等容量的场合。适用于中等容量的场合。图图1-41di/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a)电路电路其其中中RC缓缓冲冲电电路路主主要要用用于于小小容容量量器器件件，而而放放电电阻阻止止型型RCD缓缓冲冲电电路路用用于中或大容量器件。于中或大容量器件。图图1-43另外两种常用的缓冲电路另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路吸收电路b)放电阻止型放电阻止型RCD吸收电路吸收电路负载负载251.6.3 缓冲电路充放电型RCD缓冲电路，适用于中等l吸吸收收二二极极管管VDVDS S必必须须选选用用快快恢恢复复二二极极管管，其其额额定定电电流应不小于主电路器件额定电流的流应不小于主电路器件额定电流的1/101/10l在在实实际际应应用用中中，晶晶闸闸管管一一般般采采用用RCRC吸吸收收缓缓冲冲电电路路即可即可负载负载26吸收二极管VDS必须选用快恢复二极管，其额定电流应不小于主电例：指出图中例：指出图中各保护元件的名称及作用各保护元件的名称及作用交流侧交流侧RCRC过电压保护（接成三角形）。过电压保护（接成三角形）。作用：用于吸收持续时间短，能量小的尖峰过电压。作用：用于吸收持续时间短，能量小的尖峰过电压。桥臂快速熔断器。桥臂快速熔断器。作用：主要在过流时保护器件作用：主要在过流时保护器件27例：指出图中各保护元件的名称及作用 交流侧器件的缓冲电路。器件的缓冲电路。作用：用于吸收器件的瞬间过电压、抑制作用：用于吸收器件的瞬间过电压、抑制du/dtdu/dt桥臂电抗。桥臂电抗。作用：限制桥臂出现过大的作用：限制桥臂出现过大的di/dtdi/dt直流侧过电压保护（通常采用压敏电阻）直流侧过电压保护（通常采用压敏电阻）28 器件的缓冲电路。28直流过电流继电器直流过电流继电器作用：当直流电流超过设定值时，继电器动作，使电流减作用：当直流电流超过设定值时，继电器动作，使电流减 小或切断电源。小或切断电源。29 直流过电流继电器291.7电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用1.7.1 晶闸管的串联晶闸管的串联1.7.2 晶闸管的并联晶闸管的并联1.7.3 电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点301.7电力电子器件的串联和并联使用1.7.1 晶闸管的串联1.7.1 晶闸管的串联晶闸管的串联问问题题：理理想想串串联联希希望望器器件件分分压压相相等等，但但因因特特性性差异，使器件电压分配不均匀。差异，使器件电压分配不均匀。静静态态不不均均压压：串串联联的的器器件件流流过过的的漏漏电电流流相相同同，但但因因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。的不均压。目目的的：当当晶晶闸闸管管额额定定电电压压小小于于要要求求时时，可可以以串联。串联。311.7.1 晶闸管的串联问题：理想串联希望器件分压相等1.7.1 晶闸管的串联晶闸管的串联静态均压措施静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。选用参数和特性尽量一致的器件。采采用用电电阻阻均均压压，Rp的的阻阻值值应应比比任任何何一一个个器器件件阻阻断断时时的的正、反向电阻小得多。正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图图1-44晶闸管的串联晶闸管的串联a)伏安特性差异伏安特性差异b)串联均压措施串联均压措施动态均压措施动态均压措施：选选择择动动态态参参数数和和特特性性尽量一致的器件。尽量一致的器件。用用RC并并联联支支路路作作动动态态均压。均压。采采用用门门极极强强脉脉冲冲触触发发可可以以显显著著减减小小器器件件开开通时间的差异。通时间的差异。321.7.1 晶闸管的串联静态均压措施：b)a)RCRC1.7.2晶闸管的并联晶闸管的并联问问题题：会会分分别别因因静静态态和和动动态态特特性性参参数数的的差差异异而电流分配不均匀。而电流分配不均匀。均流措施均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。挑选特性参数尽量一致的器件。采用采用均流电抗器均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当当需需要要同同时时串串联联和和并并联联晶晶闸闸管管时时，通通常常采采用用先先串串后并的方法联接。后并的方法联接。目的目的：多个器件并联来承担较大的电流：多个器件并联来承担较大的电流331.7.2 晶闸管的并联问题：会分别因静态和动态特性参1.7.3电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点Ron具具有有正正温温度度系系数数，具具有有电电流流自自动动均均衡衡的的能能力力，容容易并联。易并联。注意选用注意选用Ron、UT、g gm和和Ciss尽量相近的器件并联。尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点并联运行的特点在在1/2或或1/3额额定定电电流流以以下下的的区区段段，通通态态压压降降具具有有负负温温度系数。度系数。在以上的区段则具有在以上的区段则具有正正温度系数。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。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点通态电阻通态电阻输入电容输入电容341.7.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点Ron具有 （1 1）吸收晶闸管瞬间过电压）吸收晶闸管瞬间过电压（2 2）限制电流上升率）限制电流上升率（3 3）动态均压作用。）动态均压作用。例：在晶闸管两端并联例：在晶闸管两端并联R R、C C吸收回路的主要作吸收回路的主要作 用有哪些？用有哪些？35 例：在晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作本章小结本章小结1 1、电力电子器件类型归纳、电力电子器件类型归纳（1 1）按按器器件件能能够够被被控控制制的的程程度度：不不可可控控型型、半半控型、全控型器件控型、全控型器件（2 2）按驱动电路信号的性质：电流型和电压型）按驱动电路信号的性质：电流型和电压型（3 3）按按内内部部载载流流子子的的数数量量：单单极极型型、双双极极型型、复合型器件复合型器件36 本章小结1、电力电子器件类型归纳36本章小结本章小结2 2、电力二极管的工作原理、基本特性及参数、电力二极管的工作原理、基本特性及参数3 3、晶闸管的工作原理、基本特性及参数、晶闸管的工作原理、基本特性及参数4 4、典型的全控型器件、典型的全控型器件5 5、电力电子器件的驱动、电力电子器件的驱动6 6、电力电子器件的保护、电力电子器件的保护7 7、电力电子器件的串联和并联、电力电子器件的串联和并联 37 本章小结2、电力二极管的工作原理、基本特性及参数37本章小结本章小结 IGBT为为主主体体，第第四四代代产产品品，制制造造水水平平2.5kV/1.8kA，兆兆瓦瓦以以下下首首选选。仍仍在在不不断断发发展展，与与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。光光控控晶晶闸闸管管：功功率率更更大大场场合合，8kV/3.5kA，装装置置最高达最高达300MVA，容量最大。，容量最大。电电力力MOSFET：长长足足进进步步，中中小小功功率率领领域域特特别别是是低压，地位牢固。低压，地位牢固。功功率率模模块块和和功功率率集集成成电电路路是是现现在在电电力力电电子子发发展展的的一个共同趋势。一个共同趋势。当前的格局当前的格局:38 本章小结当前的格局:381 1、在晶闸管两端并联、在晶闸管两端并联R R、C C吸收回路的主要作用有哪些？吸收回路的主要作用有哪些？2 2、指出图中、指出图中各保护元件的名称及作用各保护元件的名称及作用3 3、判断题、判断题（1 1）当当需需要要同同时时串串联联和和并并联联晶晶闸闸管管时时，通通常常采采用用先先并并后后串串的方法联接。的方法联接。（）（2 2）两两个个以以上上晶晶闸闸管管串串联联使使用用，是是为为了了解解决决自自身身额额定定电电压压偏偏低低不不能能胜胜用用电电路路电电压压要要求求而而采采取取的的一一种种解解决决方方法法，但但必必须须采取均压措施。采取均压措施。（）391、在晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作用有哪些？第 4