1电力电子器件-第5讲

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、对装置的可靠性和平安性都有重要的意义。,2）、驱动电路的根本任务：,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。,0,电力电子器件驱动电路概述,驱动电路,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,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,2,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。,为到达参数最正确配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,4,）、分类,3,5,）、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。,4,1,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（消失前到达擎住电流）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,5,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,6,(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局部，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,7,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。,直接耦合式驱动电路可防止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,8,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,9,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,10,GTR驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两局部,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。,11,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,12,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。,电气隔离和晶体管放大电路两局部,电力,MOSFET,的一种驱动电路：,13,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,。,14,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）,15,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。,16,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,17,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。,18,RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见以下图,RC,过电压抑制电路联结方式,a),单相,b),三相,19,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,20,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局部 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,21,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，响应最快。,22,电子电路过电流保护,自关断电力电子器件的热容量极小，过电流能力很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。,为了使自关断型器件组成的电力电子装置平安运行，保护的主要做法是：利用参数状态识别对单