1电力电子器件-第5讲mst

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,(1-,*,),1.4,电力电子器件的驱动电路,1,）、驱动电路功能：是主电路与控制电路之间的接口,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，提高运行效率、对装置的可靠性和安全性都有重要的意义。,2,）、驱动电路的基本任务：,将信息电子电路传来的信号，转换为电力电子器件所要求的开通或关断的信号，及必要的隔离电路。,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。,(1-,1,),0,电力电子器件驱动电路概述,驱动电路,(1-,2,),光耦合器的类型及接法,a),普通型,b),高速型,c),高传输比型,3,）、隔离电路：,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,(1-,3,),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。,4,）、分类,(1-,4,),5,）、集成驱动模块的特点,驱动电路可输出要求的驱动电流，确保快速有效的导通和关断，缩短存储时间。,导通时监控集射极饱和压降，自动调节功率开关管驱动电流，维持功率开关管处于临界饱和状态。,可串联电阻检测集电极电流，实现过流保护。,电源正负电压检测，热保护，欠压保护功能。,有的还具有高速输入输出隔离功能。,防止直通现象发生。,(1-,5,),1,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。,晶闸管导通条件？,晶闸管驱动电路的要求,驱动信号（交流，直流，,脉冲,）,驱动信号有足够的功率（驱动电压，驱动电流）,驱动信号的宽度（消失前达到擎住电流）和陡度（大于,10V/us,或,800mA/us,）,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,。,t,I,I,M,t,1,t,2,t,3,t,4,理想的晶闸管触发脉冲电流波形,t,1,t,2,脉冲前沿上升时间（,1,s,）,t,1,t,3,强脉宽度,I,M,强脉冲幅值（,3,I,GT,5,I,GT,）,t,1,t,4,脉冲宽度,I,脉冲平顶幅值（,1.5,I,GT,2,I,GT,）,晶闸管的触发电路,(1-,6,),V,1,、,V,2,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,。,V,1,、,V,2,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。,常见的晶闸管触发电路,常见的晶闸管触发电路,(1-,7,),(1)GTO,GTO,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,O,t,t,O,u,G,i,G,2 GTO,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。,变压器二次侧,N,2,、,N,3,的电压满足如下要求,u,N2,正半周，经,VD,1,使,C1,充上,+5V,电压。,u,N2,负半周,，,经,VD2,使,C2,充上,10V,电压。,u,N2,下一正半周，经,VD,3,使,C,3,充上,15V,电压。,VD,4,和电容,C,4,提供,-15V,电压。,V,1,开通时，输出正强脉冲，,GTO,导通。,V,2,开通（,V,1,关）时输出,+5V,电压，保证可靠导通。,V,2,关断而,V,3,开通时输出负脉冲，使,GTO,关断。,V,3,关断后,R,3,和,R,4,提供约,5V,门极负偏压，保证可靠关断。,(1-,8,),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,(1-,9,),恒压源关断控制,电路,变压源关断控制,电路,（,1,）恒压源关断控制,（,2,）变压源关断控制,(1-,10,),开通驱动电流应使,GTR,处于饱和导通状态，小功率电路中，为使,GTR,便于关断，可使之工作在准饱和导通状态。,关断,GTR,时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。,关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（,6V,左右）的负偏压。,t,O,i,b,理想的,GTR,基极驱动电流波形,3 BJT,（,GTR,）的驱动电路,GTR,驱动电路，包括,电气隔离,和,晶体管放大电路,两部分,主电路未,画出，,V,为,GTR,工作过程：,A,高电平，,V1,、,2,通，,V3,止，,V4,、,5,通，,V(GTR),通。,A,低电平，,V1,、,2,止，,V3,通，,V4,、,5,止。在,U,C2,作用下，,V6,导通，,V,反偏截止，,VS,通，使,V,截止更可靠。,二极管,VD2,和,VD3,构成,贝克箝位电路（即抗饱和电路）,，使集电极电位低于基极电位时，,VD2,会自动导通，使,Vce,维持在,0.7V,，使,GTR,处于准饱和状态,。,C2,为加速电容，,可提高脉冲前,沿陡度，降低,开通时间。同时,也是,V,的关断电源。,注,U,CE,=0.7-3V,为准饱和,驱动,GTR,的集成驱动电路中，,THOMSON,公司的,UAA4002,和三菱公司的,M57215BL,较为常见。,(1-,12,),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。,触发脉冲前后沿要陡峭（足够快的上升、下降速度）,使,MOSFET,开通的驱动电压一般,1015V,（多用,10V,），,使,IGBT,开通的驱动电压一般,15 18V,（多用,15V,）,。（高于管子的开启电压）,关断时施加一定幅值的,负驱动电压,（一般取,-5 -15V,）有利于减小关断时间和关断损耗。,所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流,在栅极串入一只,低值电阻（数十欧左右）,可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。,驱动电源需并联旁路电容，消除噪声，给负载提供瞬时电流，加快开关速度。,电压驱动型器件的驱动电路特点,4 MOSFET,的驱动电路,M,高电平,V,1,通，运放,A,输出高电平，,V2,导通输出正驱动电压，,使,MOSFET,导通。,无输入信号时，运放,A,输出负电平，,V3,导通，使,MOSFET,控制（栅）极放电，并承受反压而关断。,(1-,13,),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：,(1-,14,),举例：,电力,MOSFET,的一种集成驱动芯片,TLP250,它的最大输出电流,1.5A,，它不仅可以驱动电力,MOSFET,，也可以驱,动,IGBT,，,200A,以下的管子可以直接驱动。,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,。,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,）,内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断,IGBT,，并向外部电路给出故障信号。,M57962L,输出的正驱动电压均为,+15V,左右，负驱动电压为,-10V,。,M57962L,型,IGBT,驱动器的原理和接线图,4 IGBT,的驱动电路,（多采用专用的混合集成驱动器）,(1-,16,),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,浪涌过电压,：由雷击引起,（避雷器、压敏电阻）,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,：,SCR,及二极管换流时，会有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，线路电感在器件两端感应出过电压。,（,RC,保护）,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。,（,RCD,保护电路）,电力电子装置可能的过电压,外因过电压,和,内因过电压,1.4,电力电子器件的保护,1,过电压保护,电力电子器件的过载能力差，短时间的过压、过流均会造成器件损坏。,因此保护则成为保证器件可靠运行的重要一环。,(1-,17,),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,RC,1,阀侧浪涌过电压抑制用,RC,电路,RC,2,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,RC,3,阀器件换相过电压抑制用,RC,电路,RC,4,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,RC,3,和,RCD,为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,过电压保护措施,过电压保护措施,（,1,）用,RC,抑制过电压,利用电容两端电压不能突变，抑制过电压。但为防止电容放电时通过,SCR,的电流过大和抑制振荡，需串入电阻，从而构成了阻容保护电路。,交流侧的阻容保护,可参考,“,电力电子技术题例与电路设计指导,”,145-153,页。,这里需要注意的是,电容的耐压和电阻的功率。,元件两端的阻容保护,主要抑制器件关断时反向电流消失过快而产生的过电压。,RC,参数选择的参考书同上，第,148,页。,（,2,）用,压敏电阻,抑制过电压,压敏电阻,RV:,是一种由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性元件，,称金属氧化物压敏电阻，简称压敏电阻。,正常电压时呈高阻状态，仅有很小的漏电流（,A,级），出现过压,时，它很快变成低阻状态，通过很大的浪涌电流，把过电压吸,收掉，过电压过后，一切恢复正常。,压敏电阻的选择见上述参考书，第,146-147,页。,RC,过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见下图,RC,过电压抑制电路联结方式,a),单相,b),三相,大容量电力电子装置可采用图,1-36,所示的整流式,RC,电路,图,1-36,整流式过电压抑制用,RC,电路,保护电路参数计算可参考相关书籍和工程手册,也可选用金属氧化物压敏电阻、硒堆等非线性元器件吸收过电压,(1-,21,),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。,过电流保护措施及配置位置,2,过电流保护,(1-,22,),采用,快速熔断器,是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。,选择快熔时应考虑：,(1),电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。,(2),电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定,但,熔丝,电流容量应大于正常时线路中电流有效值。,(3),快熔的,I,2,t,值应小于被保护器件的允许,I,2,t,值。,快熔对器件的保护方式：,全保护,和,短路保护,两种,(1),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。,(2),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，