电力电子器件驱动及串并联.ppt

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1、1.6 电力电子器件器件的驱动,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述1.6.2 晶闸管的触发电路1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,一驱动电路作用：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、安全性有重要的意义；器件或整个装置的保护电路通常设在驱动电路中，或通过驱动电 路实现。二驱动电路的基本任务 将信息电子电路传来的控制信号按要求转换成加在电力电子器件 控制端与公共端之间的驱动信号，保证其可靠开通或关断；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，

2、又提供关断控制信号；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，电气隔离环节一般采用光电隔离或磁电隔离的型式。,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,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,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,三从提供的驱动信号的类型可分为两类 1电流驱动型驱动电路 2电压驱动型驱动电路,四从电路的具体形式可为两种类型 1分立元件驱动电路 2专用集成驱动电路 但目前的趋势是采用专用集成驱动电路 双列直插（数字）式集成驱动电路；混合集成驱动电路（将 光耦隔离电路 也集成在内）；为达到参数的最佳配合，器件厂家生产有配套的集成驱动电路；不同的电力电子器件都有自

3、己的专用集成驱动电路。,1.6.2 晶闸管的触发电路,一作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管的可靠导通,图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形,二对晶闸管触发电路的要求 1脉冲的宽度应保证晶闸管 可靠导通；（IA 大于擎住电流IL）2触发脉冲应有足够的 幅度 3不超过门极电压、电流和 功率定额，且在可靠触发 区域之内。4应有良好的抗干扰性能和 温度稳定性以及与主电路 的电气隔离。,t1 t2：脉冲前沿上升时间 1st1 t3：强脉宽度t1 t4：脉冲宽度 0.5mSIGT：最大触发电流,强脉冲幅值3 IGT 5 IGT,脉冲平顶幅值1.5 IGT 2 IGT,1.6.2 晶闸管的触发电

4、路,三常见的晶闸管触发电路（1）V1、V2 构成 脉冲放大环节（2）脉冲变压器TM 和附属电路构成 脉冲输出环节,V1、V2 导通时，通过脉冲 变压器TM向晶闸管的门极 和阴极之间输出触发脉冲；当V1、V2 由导通变为截止 时，脉冲变压器通过 VD1 和 R3释放其储存的能量。,图1-27 常见的晶闸管触发电路,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,一电流驱动型器件的驱动电路,其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，一般 需在整个导通期间施加正门极电流；其关断时需施加负门极电流，对其幅 值和陡度的要求更高，关断后还应在 门阴极之间施加约5V的负偏压以提高 抗干扰能力；驱动

5、电路通常包括开通、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。,图1-28推荐的GTO门极电压电流波形,1GTO 的驱动电路,该电路是目前应用较广的一种电路，他可避免电路内部相互干扰 和寄生振荡，获得较陡的脉冲前沿，但其功耗大，效率较低,V1 导通输出正强脉冲；V2 导通输出脉冲平顶部分 V2 关断而V3 导通输出负脉冲；V3 关断后 R3 和 R4 提供门极负偏压,典型的直接耦合式 GTO 驱动电路,VD1 C1整流电路提供5V电压,VD2 VD3 C2 C3倍压整流电路提供15V,VD4 C4整流电路提供15V电压,一电流驱动型器件的驱动电路,2GTR

6、 的驱动电路,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；关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图1-30理想的GTR基极驱动电流波形,关断GTR时，施加一定的负基极电流，有利于减小：关断时间 关断损耗,一种GTR的驱动电路：包括电气隔离和晶体管放大电路两部分,如V5 驱动电流过大，会使V 过饱和。贝克箝位电路（抗饱和电路）会在V过饱和时，因其集电极电位低于基极电位，VD2 自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持 Ubc0；C2 为加速电容，V5 导通时，R5 被C2 短路。可实现驱动电流的过 冲、增加前沿陡度，以加快开通。,光电隔离,VD

7、2,VD3构成贝克箝位电路,VS双向稳压管,二电压驱动型器件的驱动电路,驱动电路的基本特征：电力 MOSFET 和 IGBT 是电压驱动型器件；栅源间、栅射间存在数千皮法的电容，为加快栅源间驱动 电压的建立，要求驱动电路的输出电阻尽可能小；MOSFET 开通的驱动电压一般为：10 15V IGBT 开通的驱动电压一般为：15 20V 关断时要施加一定幅值的负驱动电压：5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗；在栅极串入一只数十欧左右的电阻，可以减小寄生振荡。,二电压驱动型器件的驱动电路,电力 MOSFET 的一种驱动电路,专用 MOSFET 混合集成驱动电路 M57918L（三菱公司产品），输

8、出最大脉冲电流：2A 和3A，输出驱动电压：15V和10V；输入信号电流幅值：16mA。,无输入信号时，A 输出负电平，V3 导通输出负驱动电压；有输入信号时，A 输出正电平，V2 导通输出正驱动电压；,1MOSFET 的驱动电路：,光电隔离,高速放大器,放大驱动电路,2IGBT 的驱动：多采用专用的混合集成驱动器 如：三菱公司的 M579 系列：M57959L、M57962L；富士公司的 EXB 系列：EXB840、EXB850等；,图133M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,具有内部退饱和检测和保护环节，产生过电流时能快速响应但 慢速关断IGBT，并向外部电路输出故障信号。M57

9、962L 的正驱动电压：15V 左右，负驱动电压：10V。,1.7 电力电子器件器件的保护,1.7.1 过电压的产生及过电压保护 1.7.2 过电流保护 1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,一电力电子装置可能的过电压,1外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程等外部因素引起 操作过电压 由分闸、合闸等开关操作引起；雷击过电压 由雷电引起；,2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 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结 束后不能立刻恢复阻断，有较大的反向电流流过，当恢复阻断 能力时，反向电流急剧减小，会因线

10、路电感在器件两端感应出 过电压；关断过电压 全控型器件关断时，正向电流迅速降低而因线路 电感在器件两端感应出的过电压,二电力电子装置的过电压保护,上述保护电路视具体情况采用其中的几种；其中 RC3 和 RCD 为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,图1-34过电压抑制措施及配置位置,阀侧浪涌过电压抑制用 RC 电路,空气开关,静电感应过电压抑制电容,刀开关,变压器静电屏蔽层,避雷器,直流侧RC抑制电路,器件换相过电压抑制用 RC 电路,压敏电阻过电压抑制器,阀侧浪涌过电压抑制反向阻断式 RC 电路,器件关断过电压抑制用 RCD 电路,1.7.2 过电流保护,一过电流：分为过载和短路两种情

11、况,快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器（仅适用晶闸管）,二过电流保护措施,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性；快熔是电力电子装置中有效和应用广泛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；（3）快熔的I 2 t 值应小于被保护器件的允许I 2 t 值；（4）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：全保护和短路保护两种 全保护方式：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；短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域

12、起保护作用；,二过电流保护措施,对重要的且易发生短路的晶闸管设备或全控型器件，（很难用快熔保护）采用电子电路进行过电流保护；全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节 对器件的过电流响应最快；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；,1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）,缓冲电路又称 吸收电路，用于抑制器件的：内因过电压、过电流、du/dt、di/dt，减小器件的开关损耗,一缓冲电路的分类 1关断缓冲电路（du/dt 抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt

13、，减小关断损耗 2开通缓冲电路（di/dt 抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗 3复合缓冲电路：将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 按吸收能量去向分类：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）通常 缓冲电路 用于专指：关断缓冲电路 而将开通缓冲电路叫做：di/dt 抑制电路,二缓冲电路作用分析,a）电路 b）波形di/dt 抑制电路和充放电型RCD 缓冲电路及波形,关断时的负载线,有缓冲电路当V开通时：Cs 通过 Rs 向V放电，使 iC 先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢 有缓冲电路当V关断时：负载电流通过 VDs向 Cs 分流，减轻了V的

14、 负担，抑制了du/dt 和过电压,开通时电流迅速上升di/dt 很大,关断时 du/dt很大出现很高的过电压,充放电型 RCD 缓冲电路适用于中等容量的场合,a）RC 吸收电路 b）放电阻止型吸收电路 两种常用的缓冲电路,RC 缓冲电路主要用于小容量器件,放电阻止型 RCD 缓冲电路用于中或大容量器件,三缓冲电路中的元件选取及其他注意事项,1Cs 和Rs 的取值可由实验确定或参考工程手册2VDs 必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/103尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容4在中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路5对IGBT甚至可以仅并联

15、一个吸收电容6晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的 du/dt，一般采用 RC 吸收电路即可,1.8 电力电子器件器件的串联和并联使用,1.8.1 晶闸管的串联 1.8.2 晶闸管的并联 1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,1.8.1 晶闸管的串联,一串联使用的目的和问题,1目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可采用串联使用的方法2问题：串联时希望器件分压相等，但因器件特性的差异，使每个 器件承受的电压不均匀，必须采取均压措施 静态时电压不均：因器件静态伏安特性的分散性，串联器件流过 相同的漏电流，但各器件承受的电压不相等 承受电压高的器件可能

16、达到转折电压而导通，从而使另一个 器件承担全部电压也导通，失去控制作用 反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿 动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压,1.8.1 晶闸管的串联,二静态均压措施和动态均压措施,1静态均压措施 器件参数和特性尽量 一致 采用电阻均压Rp的阻 值应比器件阻断时的 正、反向电阻小得多,a)伏安特性差异 b)串联均压措施 图1-41晶闸管的串联,2动态均压措施 选择动态参数和特性尽量一致的器件 用 RC 并联支路作动态均压 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异,1.8.2 晶闸管的并联,一目的：用多个器件并联来承担较大的电流二问

17、题：因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀三均流措施：1尽量挑选特性参数一致的器件并联 2在线路中串接均流电抗进行均流 3对门极触发采用强脉冲也有助于动态均流 4当晶闸管同时需要串并联时，应采用先串后并的方法联接,1.8.3 电力MOSFET 和 IGBT 并联运行的特点,一电力MOSFET并联运行的特点,Ron 具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联；注意选用 Ron、UT、Gfs 和 Ciss 尽量相近的器件并联；电路走线和布局应尽量对称；可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用；,二IGBT并联运行的特点,在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数；

18、在以上的区段则具有正温度系数；并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联；,本 章 小 结,一主要内容,主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数 电力电子器件在使用时应注意的驱动、保护和串、并联等问题,电力电子器件分类“树”,二电力电子器件类型归纳,1按导电载流子类型分 单极型：电力MOSFET、SIT 结型场效应晶体管 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR、SITH 静电感应晶闸管 复合型：IGBT、MCT MOS 控制晶闸管,2按驱动电压类型分 电压驱动型器件：单极型和复合型器件，双极型器件中的SITH 特点：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高 电流驱

19、动型器件：双极型器件（除SITH为电压驱动型外）特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但其 工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路较复杂,三当前器件的状况,IGBT 为主体的第四代产品，制造水平已达到：2.5 kV/1.8 kA，兆瓦以下首选，并不断发展，与集成门极换流晶闸管 IGCT 等 新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代 GTO；GTO 当前制造水平 6 kV/6 kA，兆瓦以上首选；光控晶闸管 当前制造水平达 8 kV/3.5 kA，用在功率更大场合，装置容量最高可达 300MVA，容量最大；电力MOSFET 用在中小功率、特别是低压装置中，地位牢固；功率模块 和功率集成电路 是现在电力电子发展的一个共同趋势,3器件应用的排序 按器件的电压、电流从大到小排序 晶闸管、GTO、IGBT、MCT、SIT、GTR、MOSFET 器件的工作频率从大到小排序 MOSFET、SIT、SITH、IGBT、GTR、MCT、GTO、SCR,第一章 结 束,