电力电子器件应用的共性问题

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,*,第9章 电力电子器件应用的共性问题,9.1 电力电子器件的驱动,9.2 电力电子器件的保护,9.3 电力电子器件的串联使用和并联使用,本章小结,1,9.1 电力电子器件的驱动,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,9.1.2 晶闸管的触发电路,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,2,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路,是电力电子主电路与控制电路之间的,接口,。,良好的驱动电路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,按控制目标的要求给器件施加,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。,3,9.1.1 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,光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。,有,普通,、,高速,和,高传输比,三种类型。,磁隔离的元件通常是脉冲变压器,当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用,高频调制和解调,的方法。,E,R,E,R,E,R,a,),b,),c,),U,in,U,out,R,1,I,C,I,D,R,1,R,1,图9-1 光耦合器的类型及接法,a)普通型 b)高速型 c)高传输比型,4,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路的分类,按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为,电流驱动型,和,电压驱动型,两类。,晶闸管的驱动电路常称为触发电路。,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。,5,9.1.2 晶闸管的触发电路,I,I,M,t,1,t,2,t,3,t,4,图9-2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,强脉冲宽度,I,M,强脉冲幅值（,3I,GT,5I,GT,）,t,1,t,4,脉冲宽度,I,脉冲平顶幅值（,1.5I,GT,2I,GT,）,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。,晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的,相位控制电路,。,触发电路应满足下列要求,触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发。,触发脉冲应有,足够的幅度,，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12A/,s。,触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。,应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,6,9.1.2 晶闸管的触发电路,图9-3 常见的晶闸管触发电路,常见的晶闸管触发电路,由V,1,、V,2,构成的,脉冲放大环节,和脉冲变压器TM和附属电路构成的,脉冲输出环节,两部分组成。,当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。,VD,1,和,R,3,是为了V,1,、V,2,由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。,为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。,7,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,O,t,t,O,u,G,i,G,图9-4 推荐的GTO门极电压电流波形,电流驱动型器件的驱动电路,GTO和GTR是电流驱动型器件。,GTO,开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流，使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高。,GTO一般用于大容量电路的场合，其驱动电路通常包括,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。,幅值需达阳极电流的1/3左右，陡度需达50A/,s，强负脉冲宽度约30,s，负脉冲总宽约100,s,施加约5V的负偏压，以提高抗干扰能力。,8,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,图9-5 典型的直接耦合式GTO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；缺点是功耗大，效率较低。,电路的电源由高频电源经二极管整流后提供，VD,1,和,C,1,提供+5V电压，VD,2,、VD,3,、,C,2,、,C,3,构成,倍压整流电路,提供+15V电压，VD,4,和,C,4,提供-15V电压。,V,1,开通时，输出正强脉冲；V,2,开通时，输出正脉冲平顶部分；,V,2,关断而V,3,开通时输出负脉冲；V,3,关断后,R,3,和,R,4,提供门极负偏压。,9,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,t,O,i,b,GTR,开通的基极驱动电流应使其处于,准饱和导通状态,，使之不进入放大区和深饱和区。,关断时，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。,GTR的一种驱动电路,包括,电气隔离,和,晶体管放大电路,两部分。,VD,2,和VD,3,构成,贝克箝位电路,，是一种抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态；,C,2,为加速开通过程的电容，开通时,R,5,被,C,2,短路，这样可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,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。,图9-6 理想的GTR基极驱动电流波形,图9-7 GTR的一种驱动电路,10,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,图9-8 电力MOSFET的一种驱动电路,电压驱动型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。,为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。,使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取1015V，使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15 20V。,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。,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。,电力MOSFET,包括,电气隔离,和,晶体管放大电路,两部分；当无输入信号时,高速放大器A,输出负电平，V,3,导通输出负驱动电压，当有输入信号时A输出正电平，V,2,导通输出正驱动电压。,11,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,图9-9 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,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。,IGBT,多采用专用的,混合集成驱动器,，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）。,12,9.2 电力电子器件的保护,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,9.2.2 过电流保护,9.2.3 缓冲电路,13,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,过电压分为,外因过电压,和,内因过电压,两类。,外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原,因，包括,操作过电压,：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。,雷击过电压,：由雷击引起的过电压。,内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过,程，包括,换相过电压,：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。,关断过电压,：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,14,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,图9-10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,过电压抑制措施及配置位置,各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。,RC,3,和RCD为抑制,内因过电压,的措施。,15,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,图9-11 RC过电压抑制电路联结方式,a)单相b)三相,图9-12反向阻断式过电压抑制用RC电路,抑制外因过电压来采用,RC,过电压抑制电路。,对大容量的电力电子装置，可采用图9-12所示的,反向阻断式RC,电路。,采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。,16,9.2.2 过电流保护,图9-13 过电流保护措施及配置位置,过电流分过载和短路两种情况。,过电流保护措施及其配置位置,快速熔断器,、,直流快速断路器,和,过电流继电器,是较为常用的措施，一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。,通常，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。,17,9.2.2 过电流保护,快速熔断器（简称快熔）,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,电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。,电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。,快熔的,t,值应小于被保护器件的允许,t,值。,为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间,电流特性。,快熔对器件的保护方式可分为,全保护,和,短路保护,两种。,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。,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,，器件对电流的,响应是最快的。,18,9.2.3 缓冲电路,缓冲电路（Snubber Circuit）又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的,内因过电压,、,d,u,/d,t,或者,过电流,和,d,i,/d,t,，减小器件的,开关损耗,。,分类,分为,关断缓冲电路,和,开通缓冲电路,关断缓冲电路：又称为d,u,/d,t,抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制d,u,/d,t,，减小关断损耗。,开通缓冲电路：又称为d,i,/d,t,抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和d,i,/d,t,，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结合在一起。,还可分为,耗能式缓冲电路,和,馈能式缓冲电路,耗能式缓冲电路：缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上。,馈能式缓冲电路：缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，也称无损吸收电路。,通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路区别叫做di/dt抑制电路。,19,9.2.3 缓冲电路,b),t,u,CE,i,C,O,d,i,d,t,抑制电路时,无,d,i,d,t,抑制电路时,有,有缓冲电路时,无缓冲电路时,u,CE,i,C,图9-14d,i/,d,t,抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形,a)电路 b)波形,缓冲电路,图9-14a给出的是一种缓冲电路和d,i,/d,t,抑制电路的电路图。,在无缓冲电路的情况下，d,i,