浙大 电力电子技术第二章.ppt

第二章功率半导体器件的驱动与保护 2 1晶闸管的驱动与保护2 2电流型自关断器件的驱动2 3电压型自关断器件的驱动2 4自关断器件的保护 晶闸管的驱动与保护 晶闸管的触发电路 1 触发脉冲要求1 触发信号可以是交流 直流或者脉冲形式2 触发脉冲信号应有一定的功率和宽度3 为使并联晶闸管元件能同时导通 触发电路应能产生强触发脉冲4 触发脉冲的同步及移相范围5 隔离输出方式及抗干扰能力 晶闸管的驱动与保护 单结晶体管移相触发电路一 单结 双基极 晶体管的结构与特征1 结构基区电阻Rbb Rb1 Rb2 Rb1随Ie而变化 晶闸管的驱动与保护 2 实验电路 e极开路 2 e b1间加Ee 调节Ee或Re可改变Ue大小 从而改变等效二极管VD的工况 晶闸管的驱动与保护 峰点P IP管子导通最小电流谷点V UV维持导通最小发射极电压 选 Iv较大 Uv较小的单结晶体管 使输出脉冲幅值大 调节电阻范围大 晶闸管的驱动与保护 二 单结晶体管驰张振荡电路利用负阻特性及RC充放电电路 晶闸管的驱动与保护 晶闸管的驱动与保护 三 参数选择1 Re的确定 保证在截止区和负阻区来回变化工作负载线 E IeRe Ue Ie IR 截止区 负阻 振荡 区 饱和区 晶闸管的驱动与保护 2R1的选择R1 UR1 但R1太大单结晶体管未导通前的漏电流Ib在R1上的压降可能导致后一级晶闸管VT1 VT2误触发导通 参见图2 7 故R1 UGD Ib UGD为额定结温与阳极阻断电压时不会触发导通晶闸管的门极电压 3R2的选择单结晶体管的峰值电压为 UP UD Ubb UD Rb1 Rbb Ubb而其UD具有负电阻系数 Rbb正温度系数 即温度t Rbb UP 加R2 零温度系数 后有t Rbb UR2 Ub1b2 E UR2 即补偿了UD 晶闸管的驱动与保护 4C的选择放电时间常数 C过小 脉宽窄 不能触通元件 C过大 与Re选择矛盾 当振荡频率一定时 C越大则Re越小 起振条件越难满足 一般C可在 0 1 1 F之间选取 晶闸管的驱动与保护 四 单结晶体管触发实例1 单结晶体管同步触发实例 晶闸管的驱动与保护 2 锯齿波同步移相触发器 R5 R6 IC1 C2 C1 VW 同步检测环节 锯齿波形成环节 Ub3 晶闸管的驱动与保护 2 锯齿波形成VWY RP1 R3 VT1 组成恒流源电路 VT2 VT3 C2等组成 VT2截止时 恒流IC1对C2充电 uC线性增长 且 uC ub3为锯齿波上升段 调RP1 IC1变化 锯齿波斜率变化 VT3的ue3与ub3差一PN结电压 VT2饱和导通 R4较小 C2通过R4 VT2很快放电 形成锯齿波下降段 晶闸管的驱动与保护 1 同步检测uTB由 变为 VT2截止 C2充电 据齿波形成 宽度为VT2的截止时间 负半周下降段 VD1通 C1充电 上 下 O接地 R负反馈 Q也为负电位 VT2反偏截止 C1不能经VD 1放电 负半周上升段 15V经R1给C1充电 uQ为C1反向充电波形 上升速度比R点同步电压慢 故VD1截止 Q点电位1 4V时 VT2通 uQ钳制在1 4VuTB相位与主电路相位一致 故可实现同步 锯齿波宽度 VT2截止时间 由R1C1决定 晶闸管的驱动与保护 二 移相控制环节 利用叠加原理 考虑三个电压作用 uT锯齿波电压uK控制电压UP初始调整电压 负电压 晶闸管的驱动与保护 晶闸管的驱动与保护 UP的作用 UK 0时 改变UP的大小 VT4开始导通的时刻也随之改变 UK的作用 U P调好后固定不动 改变UK即可改变输出脉冲相位 晶闸管的驱动与保护 由VT4 VT5 R6 R7 R8 C3等组成脉冲形成环节 由VT8 VT7等组成放大环节 三 脉冲形成和放大环节 晶闸管的驱动与保护 ub4 0V时 VT4截止 15V通过R11向VT5提供足够大的基极电流 VT5饱和导通 VT6也饱和导通 故uC5为 15V VT7 VT8截止 无输出 C3经R9 VT5 VT6充电至30V 左 右 ub4 0 7V时 VT4导通 A 点电位为1V uC3不突变 ub5由 15V降至 30V VT5截止 uC5由 15V升至2 1V VD6 VT7 VT8压降 VT7 VT8导通 输出脉冲VT4导通时 C3经 15V R11 VD4 VT4反向充电 使 Ub5 30V 大于 15V VT5重新导通 uC5 2 1V 15V VT7 VT8导通VT4导通时刻为脉冲发出时刻VT5持续截止时间为脉冲宽度 与C3反向充电时间常数R11 C3有关 晶闸管的驱动与保护 四 强触发环节 VT8导通前 50V电源通过R15向C6充电至 50V VT8导通 C6经MB R16 C5 并 迅速放电 R小 放电很快 当uB 15V时 VD15导通 将B点电位钳制在 15V左右 晶闸管的驱动与保护 VT5 VT6组成 或 门电路 无论那个截止都会使VT7 VT8导通 VT4通 送下降沿信号VT5截止VT7 VT8导通输出第1个脉冲 60 后 由2号送出本身第1个脉冲 同时给1号补上第2个脉冲 五 双窄脉冲形成电路 晶闸管的驱动与保护 同步检测环节 锯齿波形成环节 移相环节 功放环节 选相环节 3 集成触发器 书中此处有误 晶闸管的驱动与保护 4 数字触发器 1 脉冲同步 2 脉冲移相 3 脉冲的形成与输出 晶闸管的驱动与保护 一 同步的概念阳极电压和同步电压的协调 取决于 1 主电路结构 2 触发电路类型 3 负载特性 4 移相要求二 同步的实现同步变压器的不同连接方式 配以阻容滤波产生的移相效应获得同步信号电压 同步变压器接法 Y Y Y 可构成共12种 副边不采用 接法 因触发电路有公共接线端 晶闸管的驱动与保护 1 正弦波NPN 上升沿 Ud 0 90 uTa上升段过零点为 90 t 120 2 锯齿波PNP 下降沿 锯齿波宽 240 Ud 0 90 t 120 3 KC04锯齿波宽180 取中点为 90 t 120 实现同步步骤 1 根据不同的触发电路与移相范围的要求 确定同步信号Ut与对应晶闸管阳极电压之间的相位关系 晶闸管的驱动与保护 晶闸管的串 并联和保护1 晶闸管的串联 正反向阻断特性不同时 通过相同电流 各元件受压大不相同 晶闸管的驱动与保护 均压措施 1 选择特性较一致的元器件 2 并电阻 Rj 阻断电阻 晶闸管的驱动与保护 瞬态均压 考虑结电容 触发特性 导通 关断时间 加RC阻容 R防止di dt过大 0 8 0 9 考虑电压分配不均 降压 10 20 使用 晶闸管的驱动与保护 2 晶闸管的并联 晶闸管的驱动与保护 1 电阻均流 适用小容量元件并联 不能动态均流 2 电感均流 动态均流作用 特点 损耗小 适合大容量元件并联 有动态均流作用 体积大 绕制困难 晶闸管的驱动与保护 3 过压保护一 过电压保护过电压类型 操作过电压 拉合闸 器件关断引起浪涌电压 雷击等引起 由电网进入装置 晶闸管的驱动与保护 晶闸管的驱动与保护 1 用避雷器防止雷达过电压损坏元件 2 三相变压器星形中点通过电容接地 或次级绕组并联电容 以防止原边合闸而将高压耦合至副边 也可在原副边间加屏蔽层 无电容 三相时的情况 晶闸管的驱动与保护 过压保护的方法 1 阻容保护 单相 三相 Y 均可 整流式 晶闸管的驱动与保护 2 压敏电阻保护 压敏电阻的伏安特性 正常工作 漏电流小 损耗小 过压时 IY达数千安培 击穿时动态电阻很小 允许浪涌电流大 抑制过压能力强 时间短 接法与阻容同 主要参数 1 额定电压 U1mA 2 残压比 UY U1mA 小 灵敏 大 不灵 UY 放电电流达到IY时的电压 晶闸管的驱动与保护 3 通流容量在规定波形下 10 S 前沿 波长20 S 允许通过的浪涌峰值电流 电压升高系数1 05 1 1 允许过压系数 0 8 0 9 UY不超过元件允许电压最大值 晶闸管的驱动与保护 二 过电流保护原因 过载 直流侧短路 触发 控制电路故障 环流 逆变失败保护 1 交流进线电抗器 限制短路电流 2 电流检测 用过流信号控制触发电路或接触器 3 直流快速开关 4 快熔 a 交流侧电流有效值 元件电流b 能保护元件c 仅对负载短路等起作用 晶闸管的驱动与保护 选用原则 1 额定电压大于线路正常工作电压 2 熔体额定电流 有效值 实际电流IT 3 熔断器 插入式RTK 大容量 螺旋式RLS 小容量 三 电压及电流上升率限制 一 du dt的限制 uAK增加 结电容中i增加 i Cdu dt 产生误导通 需加阻容限制 晶闸管的驱动与保护 1 交流侧du dt的限制由整流变压器 或LT进线电抗 与阻容形成滤波环节 使过压衰减 2 元件换流时du dt的限制 换流重迭 元件电压出现换相缺口 换流引起的du dt 0 数值较大 会引起误导通 可能出现VT1 VT4同时导通 出现换流失败 串空芯电抗LS 利用R C LS串联谐振特性 使元件电压波形缺口变平 使du dt下降 LS 晶闸管的驱动与保护 二 di dt的限制电流密度过大而烧毁产生原因 1 换流电流增长过快 2 直流侧阻容中电容过大 电容充 放电电流 3 元件并联的阻容在元件导通时的放电电流 4 并联元件先通者di dt较大限制方法 1 加进线电抗器 2 桥臂串电感 可限制1 2 3引起的di dt 3 采用整流式阻容保护 第二章功率半导体器件的驱动与保护 2 1晶闸管的驱动与保护2 2电流型自关断器件的驱动2 3电压型自关断器件的驱动2 4自关断器件的保护 电流型自关断器件 如GTO 的驱动 1 门极可关断晶闸管的驱动 基本要求 1 门极开通电路前沿陡 幅度高 宽度大 后沿缓2 门极关断电路前沿较陡 宽度足够 幅度较高 后沿平缓3 门极反偏电路正向阻断器件于门极上施加负偏压 电流型自关断器件 如GTO 的驱动 直接耦合式电容储能驱动电路 开通控制信号 关断控制信号 反偏控制信号 iR iC 电流型自关断器件的驱动 GTO驱动与保护电路原理图 电流型自关断器件的驱动 2 大功率晶体管的驱动1 基本要求1 保证快速开关 且导通期间Ib能自动调节 确保GTR工作在准饱和区 管压降尽可能低2 驱动电路与逻辑 控制电路隔离 光电或变压器隔离 3 基极驱动电路应有足够的保护功能 防止GTR进入放大区工作 电流型自关断器件的驱动 2 贝克钳位电路当GTR导通时 只要VD1处于正偏态 则有 Ube UD2 UD3 Uce UD1即 Uce Ube UD2 UD3 UD1若二极管导通压降为0 7V 则只要Uce 1 4V即可使GTR工作在准饱和区 图中VD4为GTR关断时提供反向偏置通路 第二章功率半导体器件的驱动与保护 2 1晶闸管的驱动与保护2 2电流型自关断器件的驱动2 3电压型自关断器件的驱动2 4自关断器件的保护 电压型自关断器件的驱动 1 功率场效应晶体管的驱动1 电压型控制器件 无少数载流子存储效应问题 可实现高速开关 驱动电路可做得很简单 且驱动功率也小 2 各极间存在分布 杂散 电容 需要一定的驱动功率 可采用直接或隔离驱动 隔离驱动时控制电路与驱动电路间一般采用脉冲变压器或光耦器件隔离 书中有误 第一版 应相连 电压型自关断器件的驱动 2 绝缘栅双极晶体管的驱动1 基本要求1 充分陡的脉冲上升沿和下降沿2 足够大的驱动功率3 合适的正向驱动电压UGE 13 5V 16 5V 4 合适的反偏压 2V 10V 5 驱动电路最好和控制电路在隔离 脉冲变压器或光耦隔离 书中有误 第一版 应改为PNP管 第二章功率半导体器件的驱动与保护 2 1晶闸管的驱动与保护2 2电流型自关断器件的驱动2 3电压型自关断器件的驱动2 4自关断器件的保护 自关断器件的保护