电力电子课件第1章电力电子器件驱动.ppt

1、1-11.5 电力电子器件电力电子器件器件的驱动器件的驱动1-21.5.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短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。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对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱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。动电路实现。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口1-3l按控制目标的要求施加开通或关断的信号。按控制目标的要求施加开通或

2、关断的信号。l对半控型器件只需提供开通控制信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。l对全控型器件则既要提供开通控制信号，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。又要提供关断控制信号。 晶闸管的驱动电路是专为其设计的，通常晶闸管的驱动电路是专为其设计的，通常称为称为触发电路触发电路驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：1-4 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。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隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压

3、器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型1-5按照驱动信号的性质分，可分为按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型电流驱动型和和电电压驱动型压驱动型。驱动电路具体形式可为驱动电路具体形式可为分立元件分立元件的，但目前的趋的，但目前的趋势是采用势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双列直插式集成电路即将光耦隔离电路也集成在双列直插式集成电路即将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。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门开发的集

4、成驱动电路。 分分 类类1-61.5.2 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路GTO的的开通控制开通控制与普与普通晶闸管相似。通晶闸管相似。GTO关断控制关断控制需施加需施加负门极电流。负门极电流。图图1-28推荐的推荐的GTO门极电压电流波形门极电压电流波形OttOuGiG1) 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流正的门极电流5V5V的负偏压的负偏压GTO驱动电路通常包括驱动电路通常包括开通驱动电路开通驱动电路、关断驱关断驱动电路动电路和和门极反偏电路门极反偏电路三部分，可分为三部分，可分为脉冲变脉冲变压器耦合式压器耦合式和和直接耦合直接耦合式式两种类型。

5、两种类型。(1) GTO(1) GTO1-7直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄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。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。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路1-8提供合适的正反向基极电流以提供合适的正反向基极电流以保证保证GTR可靠导通与关断。可靠导通与关断。 实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。自动保护功能。自动保护功能。电路尽可能简单、工作稳定可电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。靠、抗干扰能力强。 图1-30

6、 理想的GTR基极驱动电流波形(2) GTR一般基极电路应具有如下功能：一般基极电路应具有如下功能：1-9开通驱动电流应使开通驱动电流应使GTR处于准处于准饱和导通状态，使之不进入放饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。大区和深饱和区。关断关断GTR时，施加一定的负基时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断损耗。关断后同样应在基射极之间施关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（加一定幅值（6V左右）的负偏左右）的负偏压压。1-10GTRGTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。两部分

7、。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2图1-31GTR的一种驱动电路贝克箝位电路贝克箝位电路作用：可使作用：可使GTRGTR导通时导通时处于临界饱处于临界饱和状态和状态1-11驱动驱动GTR的集成驱动电路中，的集成驱动电路中，THOMSON公司的公司的 UAA4002和三菱公司的和三菱公司的M57215BL较为常见。较为常见。UAA4002UAA4002管脚管脚反向基极电流输出端反向基极电流输出端负电源端（负电源端（-5V-5V）输出脉冲封锁端输出脉冲封锁端输入选择端输入选择端驱动信号输入端驱动信号输入端接到接到GTRGTR的

8、集电极的集电极正电源端（正电源端（1015V1015V）正向基极电流输出端正向基极电流输出端对对GTRGTR基极正向驱动能力为基极正向驱动能力为0.5A0.5A，反向驱动能力为，反向驱动能力为-3A-3A1-12UAA4002UAA4002集成驱动的实际应用集成驱动的实际应用1-13电力电力MOSFET和和IGBT是电压驱动型器件。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。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFET开通的驱动电压一般开通的驱动电压一般1015V，使，使IGBT开开通的驱动电压一般通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（

9、一般取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。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可以减小寄生振荡。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2) 电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路1-14(1) 电力电力MOSFET的一种驱动电路：的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分两部分图图1-34电力电力MOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路专为驱动电力专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三而设计的混合集成电路有三菱公司的菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为，其输入信号电流幅值为

10、16mA，输出最大脉冲电流为输出最大脉冲电流为+2A和和-3A，输出驱动电压，输出驱动电压+15V和和-10V。 1-15(2) IGBT的驱动的驱动图1-35M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的常用的有三菱公司的M579系列（如系列（如M57962L和和 M57959L）和富士公司的）和富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。 多采用专用的混合集成驱动器。多采用专用的混合集成驱动器。1-161.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护1-171.6.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护外因过电压

11、：主要来自雷击和系统操作过程等外因外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压雷击过电压：由雷击引起：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程过程换相过电压换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管：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。器件两端感应出过电压。关断过电压关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低：全控型器件关断时

12、，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而由线路电感在器件两端感应出的过电压。电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压和内因内因过电压过电压1-181.6.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图图1-37过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D变压器静电屏蔽层变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用阀侧浪涌过电压抑制用RC电路电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路电路RV压敏电阻过电压抑制器压敏电阻

13、过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用阀器件换相过电压抑制用RC电路电路RC4直流侧直流侧RC抑制电路抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用阀器件关断过电压抑制用RCD电路电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。1-191.6.2 过电流保护过电流保护过电流过电流过载过载和和短路短路两种情况两种情况保护措施保护措施负载负载触发电路触发电路开关电路开关电路过电流过电流继电器继电器交流断路器交流断路器动作电流动作电流整定值整定值短路器短路器电流检测电流检测电子保护电路电子保护电路快速熔断器快速熔断器变流器变流器直流快速断路器直流快速

14、断路器电流互感器电流互感器变压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。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。实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图图1-37过电流保护措施及配置位置过电流保护措施及配置位置1-201.6.2 过电流保护过电流保护全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装

15、置或器件裕度较大的场合。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短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全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。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，响应最快护环节，响应最快 。快熔对器件的保护方式：快熔对器件的保护方式：全保护全保护和和短路保护短路保护两种两种1-21桥臂快熔桥臂快熔交流侧快熔交流侧快熔直流侧快熔直流侧快熔1-22例：不用过电压、过电流保

16、护，选用较高电压等例：不用过电压、过电流保护，选用较高电压等级与较大电流等级的晶闸管行不行？为什么？级与较大电流等级的晶闸管行不行？为什么？不可以。原因：不可以。原因：u电路短路时，短路电流一般很大，并且大电流电路短路时，短路电流一般很大，并且大电流的晶闸管价格昂贵，所以电路中一定要设置过的晶闸管价格昂贵，所以电路中一定要设置过电流保护环节。电流保护环节。u晶闸管电路在工作时，由于操作过电压、换相晶闸管电路在工作时，由于操作过电压、换相过电压以及电网来的浪涌电压，其尖峰值可达过电压以及电网来的浪涌电压，其尖峰值可达到电源电压幅值的好几倍，另外高电压的晶闸到电源电压幅值的好几倍，另外高电压的晶闸

17、管价格昂贵，所以不能用较高电压等级的管子，管价格昂贵，所以不能用较高电压等级的管子，必须设置过电压保护环节。必须设置过电压保护环节。1-231.6.3 缓冲电路缓冲电路关断缓冲电路关断缓冲电路（du/dt抑制电路）抑制电路）吸收器件的关断过吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。，减小关断损耗。开通缓冲电路开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制电路）抑制器件开通时的抑制器件开通时的电流过冲和电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能

18、量的去向分类法：按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路和和馈能式缓冲电馈能式缓冲电路路（无损吸收电路）。（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做做di/dt抑制电路抑制电路。缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称又称吸收电路吸收电路，抑制器件的内因过电压、抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。减小器件的开关损耗。1-241.6.3 缓冲电路缓冲电路缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路：无缓冲电路：有缓冲电路：有缓冲电路：图图1-41di

19、/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a) 电路电路 b) 波形波形ADCB无缓冲电路无缓冲电路有缓冲电路有缓冲电路uCEiCO 图图1-42关断时的负载线关断时的负载线1-251.6.3 缓冲电路缓冲电路充放电型充放电型RCD缓冲电路，缓冲电路，适用于中等容量的场合。适用于中等容量的场合。图图1-41di/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a) 电路电路其中其中RC缓冲电路主要用缓冲电路主要用于小容量器件，而放电于小容量器件，而放电阻止型阻止型RCD缓冲电路用缓冲电路用于中或大容量器件。于中或大容量器件。图图1-4

20、3另外两种常用的缓冲电路另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路吸收电路b)放电阻止型放电阻止型RCD吸收电路吸收电路负载负载1-26l 吸收二极管吸收二极管VDVDS S必须选用快恢复二极管，其额定必须选用快恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件额定电流的电流应不小于主电路器件额定电流的1/101/10l 在实际应用中，晶闸管一般采用在实际应用中，晶闸管一般采用RCRC吸收缓冲电路吸收缓冲电路即可即可负载负载1-27例：指出图中例：指出图中 各保护元件的名称及作用各保护元件的名称及作用交流侧交流侧RCRC过电压保护（接成三角形）。过电压保护（接成三角形）。作用：用于吸收持续时间短，能量小的尖

21、峰过电压。作用：用于吸收持续时间短，能量小的尖峰过电压。桥臂快速熔断器。桥臂快速熔断器。作用：主要在过流时保护器件作用：主要在过流时保护器件1-28器件的缓冲电路。器件的缓冲电路。作用：用于吸收器件的瞬间过电压、抑制作用：用于吸收器件的瞬间过电压、抑制du/dtdu/dt桥臂电抗。桥臂电抗。作用：限制桥臂出现过大的作用：限制桥臂出现过大的di/dtdi/dt直流侧过电压保护（通常采用压敏电阻）直流侧过电压保护（通常采用压敏电阻）1-29直流过电流继电器直流过电流继电器作用：当直流电流超过设定值时，继电器动作，使电流减作用：当直流电流超过设定值时，继电器动作，使电流减 小或切断电源。小或切断电源

22、。1-301.7电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用1-311.7.1 晶闸管的串联晶闸管的串联问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压的不均压。目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串

23、联。串联。1-321.7.1 晶闸管的串联晶闸管的串联静态均压措施静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。选用参数和特性尽量一致的器件。采用电阻采用电阻均压，均压，Rp的阻值应比任何一个器件阻断时的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小得多。的正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图图1-44晶闸管的串联晶闸管的串联a)伏安特性差异伏安特性差异b)串联均压措施串联均压措施动态均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性选择动态参数和特性尽量一致的器件。尽量一致的器件。用用RC并联支路作动态并联支路作动态均压。均压。采用门极强脉冲触发采用门

24、极强脉冲触发可以显著减小器件开可以显著减小器件开通时间的差异。通时间的差异。1-331.7.2 晶闸管的并联晶闸管的并联问题问题：会分别因静态和动态特性参数的差异：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。而电流分配不均匀。 均流措施均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。挑选特性参数尽量一致的器件。采用采用均流电抗器均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接后并的方法联接。目的目的：多个器件并联来承担较大的电流：多个器件并联来承担较大的电流1-341.

25、7.3电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。易并联。注意选用注意选用Ron、UT、g gm和和Ciss尽量相近的器件并联。尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点并联运行的特点在在1/2或或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有额定电流以下的区段，通态压降具有负负温温度系数。度系数。在以上的区段则具有在以上的区段则具有正正温度系数

26、。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。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点通态电阻通态电阻输入电容输入电容1-35 （1 1）吸收晶闸管瞬间过电压）吸收晶闸管瞬间过电压（2 2）限制电流上升率）限制电流上升率（3 3）动态均压作用。）动态均压作用。例：在晶闸管两端并联例：在晶闸管两端并联R R、C C吸收回路的主要作吸收回路的主要作 用有哪些？用有哪些？1-36 本章小结本章小结1 1、电力电子器件类型归纳、电力电子器件类型归纳（1 1）按器件能够被控制的程度：不可控型、半）按器件能够被控制的程度：不可控型、半控型、

27、全控型器件控型、全控型器件（2 2）按驱动电路信号的性质：电流型和电压型）按驱动电路信号的性质：电流型和电压型（3 3）按内部载流子的数量：单极型、双极型、）按内部载流子的数量：单极型、双极型、复合型器件复合型器件1-37 本章小结本章小结2 2、电力二极管的工作原理、基本特性及参数、电力二极管的工作原理、基本特性及参数3 3、晶闸管的工作原理、基本特性及参数、晶闸管的工作原理、基本特性及参数4 4、典型的全控型器件、典型的全控型器件5 5、电力电子器件的驱动、电力电子器件的驱动6 6、电力电子器件的保护、电力电子器件的保护7 7、电力电子器件的串联和并联、电力电子器件的串联和并联 1-38

28、本章小结本章小结 IGBT为主体，第四代产品，制造水平为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。光控晶闸管：功率更大场合，光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置，装置最高达最高达300MVA，容量最大。，容量最大。电力电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。低压，地位牢固。功率模块和功率集成电

29、路是现在电力电子发展的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。一个共同趋势。当前的格局当前的格局:1-391 1、在晶闸管两端并联、在晶闸管两端并联R R、C C吸收回路的主要作用有哪些？吸收回路的主要作用有哪些？2 2、指出图中、指出图中 各保护元件的名称及作用各保护元件的名称及作用3 3、判断题、判断题（1 1）当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先并后串）当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先并后串的方法联接。的方法联接。 （ ）（2 2）两个以上晶闸管串联使用，是为了解决自身额定电压）两个以上晶闸管串联使用，是为了解决自身额定电压偏低不能胜用电路电压要求而采取的一种解决方法，但必须偏低不能胜用电路电压要求而采取的一种解决方法，但必须采取均压措施。采取均压措施。 （） 第第 4 4 次次 作作 业业