1、第三章全控型器件的驱动 主编第一节全控型电力电子器件的驱动3z1.tif一、电流驱动型器件的驱动电路GTO及GTR属电流驱动型器件。1.GTO的驱动第一节全控型电力电子器件的驱动GTO的触发导通过程与普通晶闸管相似，关断则完全不同，门极控制技术关键在于关断。影响关断的因素主要有：被关断的阳极电流、负载阻抗的性质、工作频率、缓冲电路、关断控制信号波形及温度等。阳极电流越大关断越困难，电感性负载难以关断，工作频率高也难以关断，结温越高越难关断，关断信号波形要符合特殊的要求。图3-2门极控制电路结构示意图第一节全控型电力电子器件的驱动(1)开通控制开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽度大及后
2、沿缓。图3-3推荐的GTO门极控制信号波形第一节全控型电力电子器件的驱动(2)关断控制GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。(3)GTO的门极驱动电路GTO的门极控制电路包括开通电路、关断电路和反偏电路。间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是：GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断
3、。此外，隔离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速第一节全控型电力电子器件的驱动2.GTR的驱动(1)对GTR驱动电路的要求使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。图3-4典型的直接耦合式GTO驱动电路第一节全控型电力电子器件的驱动图3-6抗饱和电路(2)GTR的基极驱动电路图3-6所示为抗饱和恒流驱动电路的基本形式，它属直接驱动方式亦称贝克钳位电路，它使GTR始终工作于准饱和状态，有利于提高器件的开关速度。第一节全控型电力电子器件的驱动图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位
4、高于集电极电位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时，存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。第一节全控型电力电子器件的驱动3z7.tif第一节全控型电力电子器件的驱动3z8.tif第一节全控型电力电子器件的驱动二、电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET和IG
5、BT是电压驱动型器件。1.对电压驱动型器件驱动电路的要求1)驱动脉冲要有足够快的上升和下降速度，即脉冲的前后沿要求陡峭。2)开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高开关速度。3)为了器件可靠导通，开通脉冲电压的幅度应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在器件截止时提供负的栅-源或栅-射极电压。4)电力MOSFET和IGBT开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，极间电容越大，所需的驱动电流也越大。第一节全控型电力电子器件的驱动图3-9电力MOSFET的一种驱动电路2.专用集成驱动电路芯片1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提高抗干扰
6、能力。第一节全控型电力电子器件的驱动3z10.tif第一节全控型电力电子器件的驱动2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电阻RG的阻值。3)图3-10中外接两个电容为47F，是用来吸收电源接线阻抗变化引起的电源电压波动。表3-1IGBT栅极串接电阻的参考值第二节电力电子器件的保护一、过电压保护1.过电压产生原因及分类过电压产生的原因主要是供给的电功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统能量来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。1)换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，
7、使残存的载流子恢复。2)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。第二节电力电子器件的保护3z11.tif第二节电力电子器件的保护2.过电压保护措施(1)操作过电压的保护针对形成过电压的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如减少过电压源，使过电压幅值衰减；抑制过电压能量上升的速率，延缓已产生的能量消散速度，并增加其消散的途径；采用电子线路进行保护，最常用的是在回路中接入吸收能量的元件，称吸收回路或缓冲回路。图3-12吸收关断过电压的电路第二节电力电子器件的保护图3-13交流侧阻容吸收电路的几种接法a)单相联结b)三相星形联结c
8、)三相三角形联结d)三相整流联结第二节电力电子器件的保护(2)浪涌(雷击)过电压的保护上述阻容吸收电路的时间常数是固定的，有时对雷击或从电网窜入的时间短、峰值高、能量大的过电压来不及放电，抑制过电压的效果较差，需要在变流装置的进、出线端并接压敏电阻等非线性元件。压敏电阻是以氧化锌为基体的金属氧化物非线性电阻，其结构为两个电极，电极之间填充有氧化铋等晶粒界层。在正常电压作用下晶粒界层呈高阻态，仅有小于100的漏电流；过电压时引起电子雪崩，晶粒界层迅速变成低阻抗，使电流迅速增大，而泄漏能量抑制过电压，起到保护晶闸管的作用。第二节电力电子器件的保护3z14.tif3z15.tif第二节电力电子器件的
9、保护二、过电流保护由于电力电子器件管芯体积小、热容量小，特别是在高电压、大电流应用时，结温必须受到严格的控制，当晶闸管中流过大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧毁。1.快速熔断器保护快速熔断器保护是最简单有效的过电流保护元件。快速熔断器的熔体是由银质熔丝埋于石英砂内。它与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，在通常的短路过电流时，熔断时间小于20ms，可在晶闸管损坏之前快熔，切断短路故障。第二节电力电子器件的保护1)快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。2)快速熔断器额定电流应大于或等于熔体的额定电流，如图3-16a所示。式中IT(AV)被保护晶闸
10、管的额定电流；第二节电力电子器件的保护2.电子线路控制的过流保护如图3 17所示电路，它可在过电流时实现对触发脉冲移相控制，也可在过电流时切断主电路电源，达到保护目的。其过程是：通过电流互感器T检测主回路的电流大小，一旦出现过电流时，电流反馈电压Ufi增大，稳压管VS1被击穿，晶体管V1导通。一方面由于V1导通，集电极变为低电位，VS2截止输出高电平去控制触发电路，使触发脉冲迅速往增大的方向移动，使主电路输出电压迅速下降，负载电流也迅速减小，达到限制电流的目的。第二节电力电子器件的保护另一方面，由于V1导通使灵敏继电器KA得电并自锁，断开主电路接触器KM，切断交流电源，实现过流保护；调节电位器
11、RP，可调节被限制的电流大小；HL为过电流指示灯，在过电流故障排除后，按下SB按钮，使保护电路恢复等待状态。第二节电力电子器件的保护3z18.tif除了对电动机起动的冲击电流等变化较慢的过电流，可以利用控制系统本身调节器对电流的限制作用之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过流之后直接调节触发或驱动电路，或关断被保护器件。图3-18示出了各种过电流保护措施及其配置位置，各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。第二节电力电子器件的保护3z19.tif此外，常在全控型器件的驱动电路中设置或与驱动电路配合设置过电流保护环节，这对器件过电流的响应是最快的。图3-19为采用集电极电压识别方法的
12、电路。它将集电极电压与门极驱动信号相“与”后输出过电流信号，如图3-19a所示，这一过电流信号反馈到主控电路，以切断栅极驱动信号，达到过电流保护的目的。过电流保护的基本原理如下。3z20.tif第三节电力电子器件的缓冲电路一、耗能式缓冲电路1.关断缓冲电路图3 21a所示为典型的耗能式关断缓冲电路。当IGBT关断时，负载电流经二极管VDS给电容器CS充电，根据电容两端电压不能突变的原理，IGBT集电极与发射极两端的电压上升率u/t受到限制，电容越大，u/t越小。由于集电极电压被电容电压牵制，因此，不会再出现集电极电压与集电极电流同时为最大的情况，因而也不会出现最大瞬时尖峰功耗。第三节电力电子器
13、件的缓冲电路图3 21b、c分别为不接缓冲电容和接有缓冲电容情况下集电极电流和电压波形。由图可见，在没有缓冲电容时，集电极电压上升时间极短，可以忽略，其关断过程只考虑集电极电流的变化，在关断初期将会出现极大的瞬时关断损耗；当缓冲电容加入后，情况发生变化，集电极电压缓慢上升。图3-21耗能式缓冲电路及波形a)关断缓冲电路b)无缓冲电容c)有缓冲电容第三节电力电子器件的缓冲电路如果缓冲电容较大则较大，当集电极电流下降到零以后，集电极电压才逐渐上升至电源电压，如图3 21c中虚线所示；若缓冲电容较小，则较小，集电极电压上升较快。两种情况的瞬时关断损耗是不同的，缓冲电容越大瞬时关断损耗越小。图3-21
14、耗能式缓冲电路及波形a)关断缓冲电路b)无缓冲电容c)有缓冲电容第三节电力电子器件的缓冲电路2.开通缓冲电路开通时的关键因素是it，稳态电流值越大，开通时间越短，则it影响越严重，为了限制it的大小，常采用串联电感的方法进行缓冲，典型的开通缓冲电路及相应的GTR电流、电压开通波形示于图3 22中。开通缓冲电路由电感LS、二极管VDS与GTR集电极串联组成，如图3 22a所示。在GTR开通过程中，在集电极电压下降期间，电感LS限制了电流的上升率it；当GTR关断时，存储在电感LS中的能量LSI2/2通过二极管VDS的续流作用而消耗在VDS和电感本身的电阻上。图3-22开通缓冲电路及波形第三节电力
15、电子器件的缓冲电路3.复合缓冲电路 在实用中，总是将关断缓冲电路与开通缓冲电路结合在一起的，称为复合缓冲电路，如图3 23所示。在GTR开通时，缓冲电容经CS、RS、LS回路放电，减少了GTR承受的电流上升率it，电感LS还可限制续流二极管VDF的反向恢复电流，其余作用如上述。图3-23复合缓冲电路第四节电力电子器件的串、并联使用一、晶闸管的串联使用由于串联器件的开关特性的分散性、驱动电路的触发信号传递滞后、时间分散性等因素的存在，即使挑选同一型号管子，都会造成串联元件上的分压不均。如图3 24a所示，曲线、分别为晶闸管VT1和VT2的阳极反向伏安特性曲线。若将它们串联使用，流过的反向漏电流虽
16、然一样，但分配的反向电压不一样：VT1管小、VT2管大。存在着明显的分压不均现象，严重时会造成VT2因反向过压而先被击穿损坏，VT1随之也被击穿损坏的连锁现象。为此在实际应用中，除了要挑选相同型号规格的元件外，还要采取均压措施。3z24.tif第四节电力电子器件的串、并联使用3z24.tif第四节电力电子器件的串、并联使用二、晶闸管的并联使用采用相同型号规格的晶闸管并联，可以增大变流装置的输出电流。由于并联元件的正向特性不一致，就会造成电流分配的不均匀，如图3 25a所示。为使并联元件的电流均匀分配，除了选择特性比较一致的元件外，还应采取均流措施。1.电阻均流法图3 25b为串联电阻均流电路。
17、均流电阻Rj的数值选择原则是以元件最大工作电流时，电阻压降URj为元件正向压降UT(AV)的12倍。50A的元件均流电阻为004。由于电阻功耗较大，所以它只适用于小电流晶闸管。第四节电力电子器件的串、并联使用第四节电力电子器件的串、并联使用2.电抗均流法同样，虽然采用了均流措施，并联管中电流分配仍然不可能完全一样，故在选择每个管的电流定额时，还必须适当放大电流的余量。3z26.tif第四节电力电子器件的串、并联使用三、电力MOSFET和IGBT并联运行的特点电力MOSFET的通态电阻Ron具有正的温度系数，并联使用时具有电流自动均衡的能力，因而并联使用比较容易，但也要注意选用通态电阻Ron、开启电压UT、跨导GfS和输入电容Ciss尽量相近的器件；电路走线和布局应尽量做到对称；为了更好地动态均流，有时可以在源极电路中串入小电感，起到均流电抗器的作用。
