第2章电力电子

1、第第2章章 电力电子开关器件的辅助电路电力电子开关器件的辅助电路 为了保证为了保证开关器件开关器件在主电路中能安全和可靠的工作，必在主电路中能安全和可靠的工作，必须针对器件的须针对器件的性能和容量性能和容量设计相应的辅助电路。性能优良设设计相应的辅助电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在较计合理的辅助电路能使开关器件工作在较理想的开关状态理想的开关状态，如开关损耗小，工作可靠性高等。如开关损耗小，工作可靠性高等。 教学要求： 1.掌握各种电力电子开关器件的相关辅助电路设计方法；掌握各种电力电子开关器件的相关辅助电路设计方法； 2.了解电力电子开关器件的串并联技术；了解电力电子开关器

2、件的串并联技术； 3.了解功率器件散热设计方法。了解功率器件散热设计方法。 包括：包括：驱动电路、缓冲电路和保护电路驱动电路、缓冲电路和保护电路。2.1 电力电子开关器件的驱动电路电力电子开关器件的驱动电路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。l对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。l按照驱动信号的性质分为电流驱动型和电压驱动型。按照驱动信号的性质分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：l对半控型器件只提供开通控制信号。对半控型器件只提供开通控制信号。l对全控型器件既要提供开通信

3、号，又要提供关断信号。对全控型器件既要提供开通信号，又要提供关断信号。驱动电路的结构：驱动电路的结构： 取决于开关器件的类型，变换电路的拓扑结构和电取决于开关器件的类型，变换电路的拓扑结构和电压、电流的等级。有分立元件、专用驱动芯片和驱动模压、电流的等级。有分立元件、专用驱动芯片和驱动模块。块。 将控制电路产生的微弱信号，按控制目标的要求，转将控制电路产生的微弱信号，按控制目标的要求，转换成开关器件开通和关断信号。换成开关器件开通和关断信号。2.1.1 晶闸管的门极驱动电路晶闸管的门极驱动电路1. 晶闸管触发电路的基本要求晶闸管触发电路的基本要求（5）具有良好的抗干扰性能、温度稳定性和电气隔离

4、。）具有良好的抗干扰性能、温度稳定性和电气隔离。 晶闸管的门极驱动电路又称为晶闸管的门极驱动电路又称为触发电路触发电路，所产生的触，所产生的触发信号通常为发信号通常为脉冲信号脉冲信号。由于晶闸管是电流控制型器件，。由于晶闸管是电流控制型器件，所以门极驱动电路为所以门极驱动电路为电流驱动型电流驱动型。触发电路的作用：触发电路的作用：产生符合要求的触发脉冲，能保证晶闸管产生符合要求的触发脉冲，能保证晶闸管在需要导通的时刻由阻断转为导通。实现对变换装置输出功在需要导通的时刻由阻断转为导通。实现对变换装置输出功率的控制。率的控制。（1）触发脉冲要有足够的触发功率；）触发脉冲要有足够的触发功率；（2）触

5、发脉冲要有一定的宽度和陡度。）触发脉冲要有一定的宽度和陡度。（3）触发脉冲的移相范围要满足变流装置的要求。）触发脉冲的移相范围要满足变流装置的要求。（4）触发脉冲与主电路电源电压必须保持同步。）触发脉冲与主电路电源电压必须保持同步。2. 晶闸管隔离驱动电路晶闸管隔离驱动电路光耦隔离光耦隔离脉冲变压器隔离脉冲变压器隔离脉冲列占脉冲列占空比空比50功率放大功率放大限流限流能量释放能量释放提供正向提供正向驱动电流驱动电流防止门极防止门极干扰干扰限流限流3. 触发电路的类型触发电路的类型移相控制移相控制通过改变控制脉冲产生的时间来改变晶闸管通过改变控制脉冲产生的时间来改变晶闸管 的导通角。的导通角。

6、垂直控制垂直控制将移相信号和控制信号叠加，通过改变控制将移相信号和控制信号叠加，通过改变控制 信号的大小来改变晶闸管导通信号的大小来改变晶闸管导通角。 （1）专用集成触发电路）专用集成触发电路模拟式触发电路的单片集成模拟式触发电路的单片集成 集成化触发器体积小、性能好、功耗低、可靠性高。集成化触发器体积小、性能好、功耗低、可靠性高。目前常用的有目前常用的有KC （或（或KJ）系列。）系列。 KC04器件输出两路相差器件输出两路相差l80的移相脉冲，该电路具的移相脉冲，该电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对

7、同步电压要求低、有脉冲列调制输性好、移相范围宽、对同步电压要求低、有脉冲列调制输出端等功能和特点。出端等功能和特点。 由同步检波电路，锯齿波形成电路，脉冲形成电路和脉由同步检波电路，锯齿波形成电路，脉冲形成电路和脉冲放大电路四部分组成。冲放大电路四部分组成。 移移相相调节锯齿波斜率调节锯齿波斜率脉冲宽度脉冲宽度偏移电压偏移电压控制电压控制电压引引脚脚12345678910111213141516功功能能输输出出空空锯齿锯齿波形波形成成负负电电源源空空地地同同步步输输入入信信号号综综合合空空微分微分阻容阻容封锁封锁调制调制输输出出正正电电源源引脚说明引脚说明（2）数字式触发电路）数字式触发电路

8、以数字逻辑电路或单片机为核心的触发脉冲产生电路。以数字逻辑电路或单片机为核心的触发脉冲产生电路。 电路的组成电路的组成l脉冲同步：以同步信号过零为基准，单片机计算第一个脉冲脉冲同步：以同步信号过零为基准，单片机计算第一个脉冲l脉冲移相：由脉冲移相：由UK和和UP计算触发控制角计算触发控制角。l脉冲形成与输出：利用软、硬件定时中断产生触发脉冲。脉冲形成与输出：利用软、硬件定时中断产生触发脉冲。2.1.5 IGBT栅极驱动电路栅极驱动电路1. IGBT对驱动电路的要求对驱动电路的要求 IGBT和功率和功率MOSFET同属同属电压控制器件电压控制器件，输入阻抗很高。，输入阻抗很高。驱动只需适当的电压

9、信号，驱动电流很小，因此驱动电路简驱动只需适当的电压信号，驱动电流很小，因此驱动电路简单，功耗很低。单，功耗很低。 l 具有较陡的脉冲上升沿和下降沿；具有较陡的脉冲上升沿和下降沿； l 要有足够大的驱动功率；要有足够大的驱动功率； l 具有合适的正向驱动电压具有合适的正向驱动电压UGE； l 要有合适的反偏压；要有合适的反偏压； l 具有较强的抗干扰能力和对具有较强的抗干扰能力和对IGBT的保护功能；的保护功能； l 若为大电感负载，关断时间不宜太短。若为大电感负载，关断时间不宜太短。 2. 驱动电路举例驱动电路举例以日本富士公司的专用驱动模块以日本富士公司的专用驱动模块EXB系列为例系列为例

10、特点：特点：高速型。适合工作频率为高速型。适合工作频率为40KHZ 。结构原理框图结构原理框图快速光耦快速光耦隔离放大隔离放大功放功放输出输出5V基准基准电源电源管脚号引脚功能1电源的滤波电容端2输入电源电压端3驱动器输出端4连外部电容5过流保护输出端6集电极电压监视端7空脚8空脚10空脚11空脚9输入电源电压接地端14驱动信号负相输入端15驱动信号正相输入端集成驱动电路集成驱动电路2.2 电力电子开关器件的缓冲电路电力电子开关器件的缓冲电路2.2.1 缓冲电路的作用和种类缓冲电路的作用和种类 防止电力电子开关器件瞬时过压、过流，消除过大的电压、防止电力电子开关器件瞬时过压、过流，消除过大的电

11、压、电流变化率，减小开关损耗，确保器件处于安全工作区。电流变化率，减小开关损耗，确保器件处于安全工作区。l按照缓冲电路所起的作用不同，缓冲电路可以分为按照缓冲电路所起的作用不同，缓冲电路可以分为开通缓开通缓 冲电路（或冲电路（或di/dt抑制）抑制）和和关断缓冲电路（或关断缓冲电路（或du/dt抑制）抑制）。 缓冲电路也称吸收电路。对器件的安全、可靠工作具缓冲电路也称吸收电路。对器件的安全、可靠工作具有非常重要的作用。有非常重要的作用。 u将以上两个电路合到一起构成将以上两个电路合到一起构成复合缓冲电路复合缓冲电路。l缓冲电路按减小缓冲电路按减小开关损耗开关损耗的方式可分为两种：的方式可分为两

12、种：u耗能式耗能式是把器件内部的损耗转移到缓冲电路的电阻上。是把器件内部的损耗转移到缓冲电路的电阻上。u馈能式馈能式是把器件内部的损耗通过适当的方式提供给负载或是把器件内部的损耗通过适当的方式提供给负载或回送至电源。回送至电源。开通缓冲电路开通缓冲电路（也称串联缓冲电路）（也称串联缓冲电路）在器件主电路中在器件主电路中 串入电感来实现。串入电感来实现。 关断缓冲电路关断缓冲电路（也称并联缓冲电路）（也称并联缓冲电路）将将RC网络或网络或RCD 网络并联在器件的主电极两端。网络并联在器件的主电极两端。2.2.2 功率功率MOSFET和和IGBT的缓冲电路的缓冲电路1. 单管缓冲电路单管缓冲电路关

13、断时的负载曲线关断时的负载曲线2. 桥臂缓冲电路桥臂缓冲电路3. 缓冲电路的安装工艺缓冲电路的安装工艺（1）关断缓冲电路应尽量靠近器件的主电极，缩短连接导）关断缓冲电路应尽量靠近器件的主电极，缩短连接导线，减小引线电感降低尖峰电压线，减小引线电感降低尖峰电压Up。（2）VDS应为快速二极管，电阻应为快速二极管，电阻RS、 CS应为无感元件。应为无感元件。（3）安装时，不应将电容）安装时，不应将电容CS置于电阻置于电阻RS上方，以免工作上方，以免工作时电阻发热会影响电容。时电阻发热会影响电容。（4）缓冲电路元件焊接必须可靠。）缓冲电路元件焊接必须可靠。2.3 电力电子开关器件的保护电路电力电子开

14、关器件的保护电路2.3.1 电力电子开关器件过电压保护电力电子开关器件过电压保护 电力电子器件除了在开关过程中受电力电子器件除了在开关过程中受du/dt和和di/dt的冲击之的冲击之外，还会在运行中遭受外，还会在运行中遭受过电压过电压、过电流过电流的侵害。的侵害。1. 产生过电压的原因产生过电压的原因（1）操作操作过电压；过电压；（2）浪涌浪涌过电压；如雷击等。过电压；如雷击等。（3）换相换相过电压；过电压；（4）关断关断过电压；过电压；2. 过电压的保护措施过电压的保护措施RC吸收回路吸收回路非线性电阻元件：承受高压击穿，大电流下释放能量，非线性电阻元件：承受高压击穿，大电流下释放能量， 过

15、电压消失后可自动恢复高阻态。过电压消失后可自动恢复高阻态。缓冲电路吸收缓冲电路吸收u硒堆硒堆半导体材料；体积大，长期不用会老化失效。半导体材料；体积大，长期不用会老化失效。u压敏电阻压敏电阻金属氧化物烧结而成；能力强，体积小，金属氧化物烧结而成；能力强，体积小， 反应速度快。反应速度快。3. 采用电子电路的过电压保护采用电子电路的过电压保护电子电路的设计、安装灵活，反应速度快。电子电路的设计、安装灵活，反应速度快。4. 变压器一次侧装避雷器变压器一次侧装避雷器2. 过电流保护措施过电流保护措施（1）交流进线电抗器；）交流进线电抗器；（2）电流检测装置；）电流检测装置；2.3.2 电力电子开关器

16、件过电流保护电力电子开关器件过电流保护1. 产生过电流的原因产生过电流的原因过载过流：过载过流：负载过载或交流电源电压过高、过低或缺相。负载过载或交流电源电压过高、过低或缺相。短路过流短路过流：变流装置中开关器件损坏、输出端短路驱动电变流装置中开关器件损坏、输出端短路驱动电路和控制系统故障引起的驱动信号混乱等。路和控制系统故障引起的驱动信号混乱等。 （3）直流快速开关；）直流快速开关； （4）快速熔断器。）快速熔断器。l几种过流保护同时采用时注意相互间的配合。几种过流保护同时采用时注意相互间的配合。电子保护为第一级；电子保护为第一级；快速熔断器为短路时部分区段的保护；快速熔断器为短路时部分区段

17、的保护；直流快速开关整定在电子保护之后；直流快速开关整定在电子保护之后；过电流继电器整定在过载时动作。过电流继电器整定在过载时动作。2.3.4 电力电子开关器件的门极保护电力电子开关器件的门极保护l在门极串联快速熔断器；在门极串联快速熔断器；l在门极并联双向稳压二极管。在门极并联双向稳压二极管。2.3.3 电力电子开关器件过热保护电力电子开关器件过热保护 利用利用温度传感器温度传感器检测开关器件或散热器的温度。检测开关器件或散热器的温度。2.5 电力电子开关器件的散热电力电子开关器件的散热2.5.1 散热的基本原理散热的基本原理 电力电子器件在工作时产生功率损耗，主要包括电力电子器件在工作时产

18、生功率损耗，主要包括静态损静态损耗耗（导通损耗和关断损耗）和（导通损耗和关断损耗）和动态损耗动态损耗（开关损耗）。（开关损耗）。l散热的方式散热的方式热传导热传导、辐射和对流。、辐射和对流。 l器件的温度器件的温度器件内部的功耗，器件到外界环境的散器件内部的功耗，器件到外界环境的散 热条件（传热机构、材料、冷却方式等），环境温度。热条件（传热机构、材料、冷却方式等），环境温度。 l热阻热阻结结壳的内热阻，外壳与散热器接触热阻，散壳的内热阻，外壳与散热器接触热阻，散 热器至环境介质的热阻热器至环境介质的热阻。2.5.2 散热措施散热措施散热器散热器1. 影响接触热阻的因素影响接触热阻的因素（1）

19、电力电子器件的封装形式。）电力电子器件的封装形式。（2）器件和散热器之间有无绝缘垫层、垫层的材料。）器件和散热器之间有无绝缘垫层、垫层的材料。（4）接触面的光洁度、平整度。）接触面的光洁度、平整度。 （3）器件与散热器接触面的安装压力。）器件与散热器接触面的安装压力。2. 影响散热器热阻的因素影响散热器热阻的因素 散热器热阻与散热器的散热器热阻与散热器的结构结构、材质、表面颜色、安装方材质、表面颜色、安装方向向和和外界环境冷却方式外界环境冷却方式有关。有关。 l散热器材质多为散热器材质多为铜铜材和材和铝铝材。材。 l散热器外形散热器外形结构：结构：l散热器常用散热器常用冷却方式：冷却方式：自冷

20、：通过自冷：通过空气空气的对流和辐射散热，垂直安放。的对流和辐射散热，垂直安放。风冷：风冷：风机风机强制通风，为自冷散热效率的强制通风，为自冷散热效率的24倍。倍。液冷：冷却介质有液冷：冷却介质有水水和和油油。对流散热系数可达空气自然换。对流散热系数可达空气自然换 热系数的热系数的150倍以上。倍以上。沸腾冷：将沸腾冷：将冷却介质冷却介质放在密闭容器中，通过媒质的相变放在密闭容器中，通过媒质的相变 进行冷却。进行冷却。2.5.3 散热器散热器的选配的选配l原则：保证器件的原则：保证器件的最高运行温度最高运行温度不超过不超过额定温度额定温度。l方法：根据器件的方法：根据器件的参数参数、负载负载变

21、化情况及变化情况及工作环境工作环境等条等条 件缺点器件的件缺点器件的功耗功耗，然后计算散热器的，然后计算散热器的热阻热阻，最，最 后选择散热器的后选择散热器的类型类型。2.5.4 散热设计散热设计1. 热路与热阻热路与热阻 耗散功耗耗散功耗P为热流，对应电流；温度差为热流，对应电流；温度差T对应电压，对应电压，热阻热阻R与电阻对应，三者之间关系既为热路欧姆定律：与电阻对应，三者之间关系既为热路欧姆定律：TPR 器件散热热阻由器件散热热阻由3部分组成，结部分组成，结壳热阻壳热阻Rjc ，接触热，接触热阻阻Rcs ，散热器热阻，散热器热阻Rsa 。器件总热阻。器件总热阻Rja为：为：jajccss

22、aRRRR 上两式只能用来描述器件热稳定时耗散功率、温升、上两式只能用来描述器件热稳定时耗散功率、温升、热阻之间的关系，用于长期稳定运行的设备中进热阻之间的关系，用于长期稳定运行的设备中进行器件与散热器的热设计计算。当器件没有达到热稳行器件与散热器的热设计计算。当器件没有达到热稳定时，必须采用瞬态热阻抗来描述。定时，必须采用瞬态热阻抗来描述。 接触热阻接触热阻Rcs和散热器热阻和散热器热阻Rsa称外热阻。外热称外热阻。外热阻越小，器件散热效果越好。阻越小，器件散热效果越好。热路热路电力电子半导体器件内热量传导的路线。电力电子半导体器件内热量传导的路线。 2. 瞬态热阻抗与热阻瞬态热阻抗与热阻

23、瞬态热阻抗瞬态热阻抗Z是器件导通时间是器件导通时间tp和负载功率占空比和负载功率占空比的函数，它与结的函数，它与结壳热阻壳热阻Rjc之间关系为：之间关系为：( , )( )ppjcZ tr tR 式中，式中， = tp /T。r(tp)为热阻抗曲线。为热阻抗曲线。 瞬态热阻抗一般瞬态热阻抗一般用于冲击负载下的器用于冲击负载下的器件和散热器热设计计件和散热器热设计计算。当开关频率高于算。当开关频率高于几百几百Hz，开通时间大，开通时间大于几于几ms时，用稳态热时，用稳态热阻计算即可。阻计算即可。 3. 影响散热器热阻影响散热器热阻Rsa的因素的因素 散热器热阻是散热器到外界环境的热阻，与散热器的

24、散热器热阻是散热器到外界环境的热阻，与散热器的结结构构、材质、表面颜色、安装方向材质、表面颜色、安装方向和和外界环境冷却方式外界环境冷却方式有关。有关。 l散热器外形散热器外形结构：结构：多种多样，比较常用的有平板形、叉多种多样，比较常用的有平板形、叉指形、型材形和插片式铝板散热器。指形、型材形和插片式铝板散热器。 l散热器散热器材质及表面颜色：材质及表面颜色：多为铜材和铝材，表面经过涂漆多为铜材和铝材，表面经过涂漆或钝化处理，以提高辐射系数，一般黑色散热器比光亮散热或钝化处理，以提高辐射系数，一般黑色散热器比光亮散热器热阻小。器热阻小。 l散热器散热器安装方向：安装方向：自然冷却散热器一般垂

25、直安放，能形自然冷却散热器一般垂直安放，能形成成“烟囱效应烟囱效应”便于散热，同时可以减小热阻。便于散热，同时可以减小热阻。l散热器常用散热器常用冷却方式：冷却方式：自冷、风冷、液冷和沸腾冷。自冷、风冷、液冷和沸腾冷。小容量系统一般采用自然冷却方式；小容量系统一般采用自然冷却方式；中大容量装置采用风冷方式；中大容量装置采用风冷方式；超大容量装置采用水冷方式和沸腾冷却方式。超大容量装置采用水冷方式和沸腾冷却方式。4. 散热设计散热设计 散热设计主要是根据选定器件的额定参数和工作特性，散热设计主要是根据选定器件的额定参数和工作特性，在其典型工作状态下计算不使结温超过允许额定结温所需要在其典型工作状

26、态下计算不使结温超过允许额定结温所需要的接触热阻和散热器热阻，通过热阻计算来合理的选择和安的接触热阻和散热器热阻，通过热阻计算来合理的选择和安装散热器。装散热器。 已知器件耗散功率为已知器件耗散功率为P，结，结壳热阻壳热阻Rjc，接触热阻，接触热阻Rcs ，TPRjajccssaRRRR由由得：得：()jMasajccsTTRRRP 若工作条件为冲击负载条件，式中结若工作条件为冲击负载条件，式中结壳热阻壳热阻Rjc应应用瞬态热阻抗用瞬态热阻抗Z代替计算。代替计算。 例例2.1 工作在感性负载下的小功率工作在感性负载下的小功率GTR，工作电流，工作电流IC=10A，工作电压，工作电压UCE=10

27、0V；开关频率；开关频率fs=10KHZ，占空比，占空比D=0.9，通态电压，通态电压UCES=1V，开，开通时间通时间ton=1s，关断时间，关断时间toff=2s；结；结壳热阻壳热阻Rjc =0.7/W。计算当环。计算当环境温度境温度Ta=35 ，结温不超过，结温不超过125 时，时，GTR直接与散热器装配时散热器直接与散热器装配时散热器的热阻。的热阻。解解 （1）计算器件总功率损耗，由通态损耗和开关损耗两部分构成）计算器件总功率损耗，由通态损耗和开关损耗两部分构成通态损耗通态损耗PC 1 100.99()CCESCPUI DW 开关损耗开关损耗PS ()()1()2ss ons offCEConoffsPPPUIttf641100 10(12) 101015()2W总功率损耗总功率损耗 24()CsPPPW（2）计算散热器热阻）计算散热器热阻12