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1、第三章 全控型器件的驱动及其共性问题,3.1 典型全控型电力电子器件的驱动,3.2 电力电子器件的保护,3.3 电力电子器件的缓冲电路,3.4 电力电子器件的串并联使用,3.1 典型全控型电力电子器件的驱动,驱动电路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，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义对器件或整个装置的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：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其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
2、要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号,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，由发光二极管和光敏晶体管组成磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图 光耦合器的类型及接法a)普通型10us b)高速型1.5us c)高传输比型,电流驱动型和电压驱动型具体形式可为分立元件式的，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,1.电流驱动型器件的驱动电路GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整
3、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，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力,图推荐的GTO门极电压电流波形,二极管VD1和电容C1提供+5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整 流电路提供+15V电压VD4和电容C4提供-15V电压V1开通时，输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压,图典型的直接耦合式GTO驱动电路,典型的直接耦合式GTO驱动电路：,GTR开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之 不进入放大区和深饱和区关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小
4、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,图理想的GTR基极驱动电流波形,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V，会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可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：THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL,图GTR
5、的一种驱动电路,2.电压驱动型器件的驱动电路栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般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的一种驱动电路:：电气隔离和晶体管放大电路两部分无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路
6、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。,图电力MOSFET的一种驱动电路,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。,图1-33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,IGBT的驱动:多采用专用的混合集成驱动器,3.2 电力电子器件的
7、保护,电力电子器件在实际应用时，由于各种原因，总可能会发生过电压、过电流甚至短路等现象，若无必要的保护措施，势必会损坏电力电子器件，或者损坏电路。同时，电力电子元器件在工作过程中，要消耗大量的功率，这部分耗散功率转变成热量会使元器件本身的温度升高，若温度过高且不及时处理，同样会造成元器件的损坏。因此，在电力电子电路中，为了避免器件及线路出现损坏，除了电力电子元件参数要选择合适、驱动电路设计良好外，还需要进行必要的散热、设置必要的保护环节和缓冲处理。,由于晶闸管的击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因而其过载能力较差，很短时间的过电压或过电流就可能导致其损坏。虽然选择晶闸管时要合理地选择元件参
8、数并留有安全裕量，但仍需针对晶闸管的工作条件采取适当的保护措施，确保晶闸管装置正常运行。,一、过电压保护,凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压的电压都算过电压。过电压产生的原因主要是操作过电压、浪涌过电压。发生过电压时，过电压保护应使晶闸管两端电压受到抑制，免遭损害。对于操作过电压，应使之限制在额定电压以下。对于浪涌电压，应限制在断态和反向不重复峰值电压以下。按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和元件保护等几部分，如图8.1所示。,1、交流侧过电压及其保护,RC阻容吸收电路,交流侧阻容吸收电路的几种接法如图1-85所示。,图1-85 交流侧阻容吸收电路的几种接法a）、e）单相
9、连接 b）三相Y型连接 c）三相连接 d）三相整流连接,非线性电阻保护,硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图1-86所示为硒堆保护几种接法。(a)图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联；(b)、(c)为三相的接法，三相时用三组对接成Y形或用六组结成D形。,图1-86 硒堆保护几种接法a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相连接,采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量；但存在体积大，反向特点不陡，长期放置不用会发生“储存老化”，即正向电阻增大，反向电阻降低而失效的缺点，所以使用前必须先加50%的额定电压10min，再加额定电压2h，才能恢复性能.,金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋
10、等烧结制成的非线性电阻元件，正常电压时呈高阻态，漏电流仅是微安级，故损耗小；过电压时引起电子雪崩呈低阻使电流迅速增大吸收过电压。加之它还有体积小、保护接线方式如图1-87所示。,图1-87 压敏电阻保护几种接法a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相连接,图1-88 晶闸管直流侧过电压保护,2直流侧过电压及其保护,直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，如图1-88所示，对于容量较小装置，可采用阻容保护抑制过电压；如果容量较大，采用阻容保护，将影响系统的快速性，此时应选择硒堆或压敏电阻保护。,图1-89 晶闸管两端并联阻容吸收电路,3晶闸管关断过电压及其保护,关断过电压保护最常用的方法是，在晶
11、闸管两端并联RC吸收电路，如图1-89所示。利用电容的充电作用，可降低晶闸管反向电流减小的速度，吸收关断过电压，把它限制在允许范围内。实用时为了防止电路振荡和限制管子开通损耗和电流上升率，阻容吸收电路要尽量靠近晶闸管，引线要短最好采用无感电阻。,凡流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，都叫过电流。产生电流的原因有：直流侧短路；生产机械过载；可逆系统中产生环流或逆变失败；直流电动机环火等。,二、晶闸管的过电流保护,由于电子器件的电流过载能力比一般电气设备低得多，因此必须对晶闸管设置过电流保护。可以根据实际情况选择其中一处或数种作晶闸管装置的过流保护。,串接交流进线电抗或采用漏抗大的整流变压器
12、，利用电抗能有效地限制短路电流，保护晶闸管，但负载电流大时存在较大的交流压降。,图1-90 快速熔断器保护a）桥臂晶闸管串接快熔 b）交流侧快熔 c）直流侧快熔,三、电压上升率 及其限制,晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升率 较大时，结电容充电电流起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措施抑制。,晶闸管的RC保护电路可以起到抑制 的作用。在每个桥臂串入桥臂电抗器也是防止过大造成晶闸管误导通的有效办法。此外，对于小容量的晶闸管，在其门极和阴极之间接一电容，使 产生的充电电流不流过结电容，而通过电容C流到阴极，也能防止因 过大而使晶闸管误导通。,
13、四、电流上升率 及其限制,晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移导通区才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过程中，电流上升率 应限制在通态电流临界上升率以内，否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。增大阻容保护中电阻值可以减小，但会降低阻容保护对晶闸管过电压保护的效果。在晶闸管回路串联电感是限制 的有效方法 晶闸管的保护是关系到晶闸管装置能否安全可靠地运行的问题，但对于保护装置的定量计算还没有成熟的和统一的计算方法，有待于进一步研究和实践。,1、缓冲电路的作用与基本类型缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，是通过限压、限流、抑制 和 等方法，把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然
14、后再消耗在缓冲电路的电阻上，或者由缓冲电路设法将其反馈到电源中去。此缓冲电路可分为两大类：前一类是能耗型缓冲电路，后一类是反馈型缓冲电路。能耗型缓冲电路简单，在电力电子器件的容量不大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用很广泛。,3.3 电力电子器件的缓冲电路,2、缓冲电路的基本结构,1晶闸管的串联使用,当要求晶闸管应有的电压值大于单个晶闸管的额定电压时，可以用两个以上同型号的晶闸管相串联。由于器件特性的分散性，同型号管子串联后正反向阻断时流过反向漏电流虽然一样，但分配的反向电压不一样，图1-83a)所示，因此晶闸管和其它电力电子器件串联时必须考虑均压措施。,3.4 电力电子器件的串并联使用
15、,（1）静态均压（正反向阻断状态下的均压）,（2）动态均压（开通过程与关断过程的均压）,2晶闸管的并联使用,当要求晶闸管应有的电流值大于单个晶闸管的额定电流时，就需要将同型号的晶闸管并联使用。器件并联时由于正向导通的伏安特性不可能完全一致，在相同管压降时，使导通的晶闸管电流分配不均，如图1-84a)所示。因此要采取均流措施。,（1）电阻均流,如图1-84b)所示，在并联的各晶闸管中串入一小电阻R是最简便的均流方法。均流电阻R由下式决定：,串入均流电阻R后，电流分配不均匀度可大大地改善，但因电阻上有损耗，并且对动态均流不起作用，只适用于小功率场合。对于大电流器件的并联，均流可领先各并联支路的快熔
16、电阻、电抗器电阻和连接导线电阻的总和来达到。,（2）电抗均流,如图1-84c)所示，用一个均流电抗器（铁芯上带有两个相同的线圈）同各端相反接在并联的晶闸管电路中，均流的原理是，利用电抗器中感应电动势的作用达到均流。即：当两器件中电流均匀一致时铁心内励磁安匝相互抵消，电抗不起作用，若电流不相等合成励磁安匝产生电感，在两管与电抗回路中产生环流，使电流小的增大、电流大的减小，从而达到均流目的。电抗均流可以起到动态均流的作用。,3晶闸管串、并联使用时的注意事项,在实际使用当中，若要将晶闸管串联或并联使用应注意以下几点：,（1）筛选管子，尽量选用特性一致的管子，管子的开通时间也要尽量一致。,（2）采用强触发脉冲，前沿要陡，幅值要大。,（3）串联时要采取均压措施，并联时要采取均流措施。需要同时采用串联和并联晶闸管的时候，通常采用先串后并的方法。,（4）降低电压（串联时）或电流（并联时）额定值的10%使用。,指出下图中各保护元件及VD、Ld的名称和作用。,谢谢！,
