第三章电力电子器件驱动及保护

1、3.1 3.1 典型全控型电力电子器件的驱动典型全控型电力电子器件的驱动 3.2 3.2 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 3.3 3.3 电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路 3.4 3.4 电力电子器件的串并联使用电力电子器件的串并联使用 ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图 光耦合器的类型及接法a) 普通型10us b) 高速型1.5us c) 高传输比型OttOuGiG图推荐的图推荐的GTO门门极电压电流波形极电压电流波形50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4图典型的直接耦合式GTO驱

2、动电路典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驱动电路驱动电路：tOib 图理想的图理想的GTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2驱动GTR的集成驱动电路：THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL图图GTR的一种驱动电路的一种驱动电路A+-MOSFET20 V20 VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC图电力MOSFET的一种驱动电路13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546-10V+15

3、V30V+5VM57962 L14ui1快恢复trr0.2 s4.7k 3.1100F100F图图1-33M57962L型型IGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图 IGBT的驱动的驱动: 多采用专用的混合集成驱动器 电力电子器件在实际应用时，由于各种原因，总可能电力电子器件在实际应用时，由于各种原因，总可能会发生过电压、过电流甚至短路等现象，若无必要的保护会发生过电压、过电流甚至短路等现象，若无必要的保护措施，势必会损坏电力电子器件，或者损坏电路。同时，措施，势必会损坏电力电子器件，或者损坏电路。同时，电力电子元器件在工作过程中，要消耗大量的功率，这部电力电子元器件在工作过程中，要消

4、耗大量的功率，这部分耗散功率转变成热量会使元器件本身的温度升高，若温分耗散功率转变成热量会使元器件本身的温度升高，若温度过高且不及时处理，同样会造成元器件的损坏。度过高且不及时处理，同样会造成元器件的损坏。 因此，在电力电子电路中，为了避免器件及线路出现因此，在电力电子电路中，为了避免器件及线路出现损坏，除了电力电子元件参数要选择合适、驱动电路设计损坏，除了电力电子元件参数要选择合适、驱动电路设计良好外，还需要进行必要的散热、设置必要的保护环节和良好外，还需要进行必要的散热、设置必要的保护环节和缓冲处理。缓冲处理。 由于晶闸管的击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因而其过载由于晶闸管的击穿电

5、压比较接近工作电压，热容量又小，因而其过载能力较差，很短时间的过电压或过电流就可能导致其损坏。虽然选择晶闸能力较差，很短时间的过电压或过电流就可能导致其损坏。虽然选择晶闸管时要合理地选择元件参数并留有安全裕量，但仍需针对晶闸管的工作条管时要合理地选择元件参数并留有安全裕量，但仍需针对晶闸管的工作条件采取适当的保护措施，确保晶闸管装置正常运行。件采取适当的保护措施，确保晶闸管装置正常运行。 一、过电压保护一、过电压保护 凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压的电压都算过电压。凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压的电压都算过电压。 过电压产生的原因主要是操作过电压、浪涌过电压。过电压产生

6、的原因主要是操作过电压、浪涌过电压。 发生过电压时，过电压保护应使晶闸管两端电压受到抑制，免遭损害。发生过电压时，过电压保护应使晶闸管两端电压受到抑制，免遭损害。对于操作过电压，应使之限制在额定电压以下。对于浪涌电压，应限制在对于操作过电压，应使之限制在额定电压以下。对于浪涌电压，应限制在断态和反向不重复峰值电压以下。断态和反向不重复峰值电压以下。 按过电压保护的部位来分，有按过电压保护的部位来分，有交流侧保护交流侧保护、直流侧保护直流侧保护和和元件保护元件保护等几部分，如图等几部分，如图8.18.1所示。所示。 1、交流侧过电压及其保护 RC阻容吸收电路阻容吸收电路交流侧阻容吸收电路的几种接

7、法如图交流侧阻容吸收电路的几种接法如图1-85所示。所示。图图1-85 1-85 交流侧阻容吸收电路的几种接法交流侧阻容吸收电路的几种接法a a）、）、e e）单相连接）单相连接 b b）三相）三相Y Y型连接型连接 c c）三相）三相连接连接 d d）三相整流连接）三相整流连接 非线性电阻保护非线性电阻保护 硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图1-86所示为硒堆保护几种接所示为硒堆保护几种接法。法。(a)图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联；图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联；(b)、(c)为三相的接法，三相时用三组对接成为三相的接法

8、，三相时用三组对接成Y形或用六组结成形或用六组结成D形。形。 图图1-86 硒堆保护几种接法硒堆保护几种接法a）单相连接）单相连接 b）三相）三相Y型连接型连接 c）三相）三相连接连接 采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量；但存在体积大，采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量；但存在体积大，反向特点不陡，长期放置不用会发生反向特点不陡，长期放置不用会发生“储存老化储存老化”，即正向电阻增大，即正向电阻增大，反向电阻降低而失效的缺点，所以使用前必须先加反向电阻降低而失效的缺点，所以使用前必须先加50%的额定电压的额定电压10min，再加额定电压，再加额定电压2h，才能恢复性能，才能恢复

9、性能. 金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，正常电压时呈高阻态，漏电流仅是微安级，故损耗小；过电阻元件，正常电压时呈高阻态，漏电流仅是微安级，故损耗小；过电压时引起电子雪崩呈低阻使电流迅速增大吸收过电压。加之它还有体压时引起电子雪崩呈低阻使电流迅速增大吸收过电压。加之它还有体积小、保护接线方式如图积小、保护接线方式如图1-87所示。所示。图图1-87 压敏电阻保护几种接法压敏电阻保护几种接法a）单相连接）单相连接 b）三相）三相Y型连接型连接 c）三相）三相连接连接图图1-88 晶闸管直流侧过电压保护晶闸管直流

10、侧过电压保护2直流侧过电压及其保护直流侧过电压及其保护 直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，如图直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，如图1-88所示，对所示，对于容量较小装置，可采用阻容保护抑制过电压；如果容量较大，采用于容量较小装置，可采用阻容保护抑制过电压；如果容量较大，采用阻容保护，将影响系统的快速性，此时应选择硒堆或压敏电阻保护。阻容保护，将影响系统的快速性，此时应选择硒堆或压敏电阻保护。图图1-89 晶闸管两端并联阻容吸收电路晶闸管两端并联阻容吸收电路3晶闸管关断过电压及其保护晶闸管关断过电压及其保护 关断过电压保护最常用的方法是，关断过电压保护最常用的方法是，在晶闸管两端并

11、联在晶闸管两端并联RC吸收吸收电路电路，如图，如图1-89所示。利用电容的充电作用，可降低晶闸管反向电所示。利用电容的充电作用，可降低晶闸管反向电流减小的速度，吸收关断过电压，把它限制在允许范围内。实用时流减小的速度，吸收关断过电压，把它限制在允许范围内。实用时为了防止电路振荡和限制管子开通损耗和电流上升率，阻容吸收电为了防止电路振荡和限制管子开通损耗和电流上升率，阻容吸收电路要尽量靠近晶闸管，引线要短最好采用无感电阻。路要尽量靠近晶闸管，引线要短最好采用无感电阻。 凡流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，都叫过电流。产生电流的原凡流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，都叫过电流。产生

12、电流的原因有：直流侧短路；生产机械过载；可逆系统中产生环流或逆变失败；直流电动机因有：直流侧短路；生产机械过载；可逆系统中产生环流或逆变失败；直流电动机环火等。环火等。二、晶闸管的过电流保护二、晶闸管的过电流保护 由于电子器件的电流过载能力比一般电气设备低得多，因此必须对晶闸管设置由于电子器件的电流过载能力比一般电气设备低得多，因此必须对晶闸管设置过电流保护。可以根据实际情况选择其中一处或数种作晶闸管装置的过流保护。过电流保护。可以根据实际情况选择其中一处或数种作晶闸管装置的过流保护。 串接交流进线电抗或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗能有效地限制短路串接交流进线电抗或采用漏抗大的整流变压器，

13、利用电抗能有效地限制短路电流，保护晶闸管，但负载电流大时存在较大的交流压降。电流，保护晶闸管，但负载电流大时存在较大的交流压降。图图1-90 快速熔断器保护快速熔断器保护a）桥臂晶闸管串接快熔）桥臂晶闸管串接快熔 b）交流侧快熔）交流侧快熔 c）直流侧快熔）直流侧快熔三、电压上升率 及其限制 dtdu/ 晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升率晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升率 较大时，结电容充电电流起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，较大时，结电容充电电流起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，造成装置的失控。因此，必须采取措施抑制造成装置的失控。因

14、此，必须采取措施抑制 。 晶闸管的晶闸管的RC保护电路可以起到抑制保护电路可以起到抑制 的作用。在每个桥臂串入桥的作用。在每个桥臂串入桥臂电抗器也是防止过大造成晶闸管误导通的有效办法。此外，对于小容量臂电抗器也是防止过大造成晶闸管误导通的有效办法。此外，对于小容量的晶闸管，在其门极和阴极之间接一电容，使的晶闸管，在其门极和阴极之间接一电容，使 产生的充电电流不流产生的充电电流不流过结电容，而通过电容过结电容，而通过电容C流到阴极，也能防止因流到阴极，也能防止因 过大而使晶闸管误过大而使晶闸管误导通。导通。 dtdu/dtdu/dtdu/dtdu/dtdu/四、电流上升率 及其限制 dtdi/

15、晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移导通区晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移导通区才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过程中，电流上升率才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过程中，电流上升率 应限制在通态电流临界上升率以内，否则将导致门极附近过热，损坏晶应限制在通态电流临界上升率以内，否则将导致门极附近过热，损坏晶闸管。闸管。 增大阻容保护中电阻值可以减小增大阻容保护中电阻值可以减小 ，但会降低阻容保护对晶闸，但会降低阻容保护对晶闸管过电压保护的效果。在晶闸管回路串联电感是限制管过电压保护的效果。在晶闸管回路串联电感是限制 的有效方的有效方法法 晶闸管的保

16、护是关系到晶闸管装置能否安全可靠地运行的问题，但晶闸管的保护是关系到晶闸管装置能否安全可靠地运行的问题，但对于保护装置的定量计算还没有成熟的和统一的计算方法，有待于进一对于保护装置的定量计算还没有成熟的和统一的计算方法，有待于进一步研究和实践。步研究和实践。 dtdi/dtdi/dtdi/ti d/dtu d/d 1晶闸管的串联使用晶闸管的串联使用 当要求晶闸管应有的电压值大于单个晶闸管的额定电压时，可以用两个以上当要求晶闸管应有的电压值大于单个晶闸管的额定电压时，可以用两个以上同型号的晶闸管相串联。由于器件特性的分散性，同型号管子串联后正反向阻断同型号的晶闸管相串联。由于器件特性的分散性，同

17、型号管子串联后正反向阻断时流过反向漏电流虽然一样，但分配的反向电压不一样，图时流过反向漏电流虽然一样，但分配的反向电压不一样，图1-83a)所示，因此晶所示，因此晶闸管和其它电力电子器件串联时必须考虑均压措施。闸管和其它电力电子器件串联时必须考虑均压措施。（1）静态均压（正反向阻断状态下的均压）静态均压（正反向阻断状态下的均压）（2）动态均压（开通过程与关断过程的均压）动态均压（开通过程与关断过程的均压）2 2晶闸管的并联使用晶闸管的并联使用 当要求晶闸管应有的电流值大于单个晶闸管的额定电流时，就需要将同型号的当要求晶闸管应有的电流值大于单个晶闸管的额定电流时，就需要将同型号的晶闸管并联使用。

18、器件并联时由于正向导通的伏安特性不可能完全一致，在相同管晶闸管并联使用。器件并联时由于正向导通的伏安特性不可能完全一致，在相同管压降时，使导通的晶闸管电流分配不均，如图压降时，使导通的晶闸管电流分配不均，如图1-84a) 所示。因此要采取均流措施。所示。因此要采取均流措施。（1）电阻均流）电阻均流 如图如图1-84b)所示，在并联的各晶闸管中串入一小电阻所示，在并联的各晶闸管中串入一小电阻R是最简便的均流方法。是最简便的均流方法。均流电阻均流电阻R由下式决定：由下式决定：)()25 . 0(TaTIUR 串入均流电阻串入均流电阻R后，电流分配不均匀度可大大地改善，但因电阻上有损耗，后，电流分配

19、不均匀度可大大地改善，但因电阻上有损耗，并且对动态均流不起作用，只适用于小功率场合。对于大电流器件的并联，均流并且对动态均流不起作用，只适用于小功率场合。对于大电流器件的并联，均流可领先各并联支路的快熔电阻、电抗器电阻和连接导线电阻的总和来达到。可领先各并联支路的快熔电阻、电抗器电阻和连接导线电阻的总和来达到。（2）电抗均流）电抗均流 如图如图1-84c)所示，用一个均流电抗器（铁芯上带有两个相同的线圈）同各端相所示，用一个均流电抗器（铁芯上带有两个相同的线圈）同各端相反接在并联的晶闸管电路中，均流的原理是，利用电抗器中感应电动势的作用达到反接在并联的晶闸管电路中，均流的原理是，利用电抗器中感应电