器件应用基础课件

1、应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-1应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-211.111.1 晶闸管触发电路晶闸管触发电路11.311.3电力电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT驱动电路驱动电路11.411.4电力电子器件的串并联电力电子器件的串并联11.511.5器件使用中的保护措施器件使用中的保护措施11.611.6电力电子器件的缓冲电路电力电子器件的缓冲电路应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-3一、概述一、概述 电力电子装置电力电子装置主电路、控制电路。主电路、控制电路。主电路主电路用于电能变换：用于电能变换：控制电路控制电路将给定控

2、制信号转换为能满足将给定控制信号转换为能满足主电路开关器件要求的开关控制信号，以使主电路开关器件要求的开关控制信号，以使主电路实现相应功能。主电路实现相应功能。 控制电路控制电路开关控制逻辑信号发生电路（通开关控制逻辑信号发生电路（通常称为常称为控制电路控制电路）、功率放大电路（通常称为）、功率放大电路（通常称为驱动电路驱动电路）。）。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-4 驱动电路的作用驱动电路的作用功率放大、整形功率放大、整形作用：将来自控制电路的逻作用：将来自控制电路的逻辑信号放大、整形为适合驱动电力电子器件辑信号放大、整形为适合驱动电力电子器件的功率信号。的功率信号。隔离

3、作用隔离作用：提供主电路与控制电路之间的电：提供主电路与控制电路之间的电气隔离环节，如光隔离或磁隔离。气隔离环节，如光隔离或磁隔离。v光隔离元件一般采用光耦合器光隔离元件一般采用光耦合器v磁隔离元件通常为脉冲变压器磁隔离元件通常为脉冲变压器 晶闸管控制电路通常称为晶闸管控制电路通常称为晶闸管触发电路晶闸管触发电路或或晶晶闸管移相触发电路。闸管移相触发电路。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-5ItIMt1t2t3t4二、对晶闸管触发电路的要求二、对晶闸管触发电路的要求要求触发电路能产生满足以下要求的触发脉冲要求触发电路能产生满足以下要求的触发脉冲1、触发脉冲形式、触发脉冲形式可以

4、是宽脉冲（脉冲列）可以是宽脉冲（脉冲列） 、窄脉冲。窄脉冲。2、触发脉冲应有足够的功率、触发脉冲应有足够的功率要求触发电压和要求触发电压和触发电流大于额定值，保证可靠触发；但应小触发电流大于额定值，保证可靠触发；但应小于最大允许峰值。一般触发电流取额定触发电于最大允许峰值。一般触发电流取额定触发电流值的流值的35倍。倍。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-63、触发脉冲应有足够的宽度、触发脉冲应有足够的宽度保证在触发脉保证在触发脉冲消失前阳极电流已大于擎住电流。冲消失前阳极电流已大于擎住电流。4、触发脉冲应有足够的前沿陡度、触发脉冲应有足够的前沿陡度以提高晶以提高晶闸管导通速度，

5、从而提高晶闸管承受的闸管导通速度，从而提高晶闸管承受的di/dt能能力。要求触发电压前沿陡度力。要求触发电压前沿陡度10V/us；触发电触发电流前沿陡度达到流前沿陡度达到12A/us。ItIMt1t2t3t4应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-75、触发脉冲应与主电路电源电压同步触发脉冲应与主电路电源电压同步使每个使每个周期触发脉冲都能在同一时刻出现，保证输出周期触发脉冲都能在同一时刻出现，保证输出电压稳定。电压稳定。6、触发脉冲移相范围应满足电力电子装置的要求。、触发脉冲移相范围应满足电力电子装置的要求。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-8三、晶闸管触发电路的基

6、本组成环节三、晶闸管触发电路的基本组成环节1、同步环节、同步环节提供触发脉冲的参考时刻信号；提供触发脉冲的参考时刻信号；2、移相环节、移相环节产生能反映产生能反映角度的移相信号；角度的移相信号；3、脉冲发生环节、脉冲发生环节产生具有一定形式的触发脉产生具有一定形式的触发脉冲，如宽脉冲（脉冲列）、窄脉冲或双窄脉冲；冲，如宽脉冲（脉冲列）、窄脉冲或双窄脉冲；ItIMt1t2t3t4应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-94、脉冲分配环节、脉冲分配环节将一定形式的触发脉冲按将一定形式的触发脉冲按照主电路所要求的工作逻辑分配给各个晶闸管；照主电路所要求的工作逻辑分配给各个晶闸管；（以上环节

7、构成了（以上环节构成了开关控制逻辑信号发生电路，开关控制逻辑信号发生电路，即控制电路。即控制电路。它可以由分立元件组成，也可以它可以由分立元件组成，也可以由微机组成或由专用集成电路组成）。由微机组成或由专用集成电路组成）。5、功率放大环节、功率放大环节用于放大、整形和隔离。用于放大、整形和隔离。ItIMt1t2t3t4应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-10四、常见的功放电路四、常见的功放电路T T1 1、T T2 2构成脉冲放大环节；构成脉冲放大环节；脉冲变压器脉冲变压器TMTM和附属电路构成脉冲输出环节；和附属电路构成脉冲输出环节； T T1 1、T T2 2导通时，通过脉冲

8、变压器向晶闸管的门导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲；极和阴极之间输出触发脉冲；D D1 1和和R R3 3是构成脉冲变压器能量泄放回路。是构成脉冲变压器能量泄放回路。TMR1R2R3T1T2R4+E1+E2D1D2D3应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-11一、概述一、概述l电力电力MOSFET与与IGBT的输入特性基本相同，因的输入特性基本相同，因此两者的驱动电路也基本相同。所不同的是此两者的驱动电路也基本相同。所不同的是IGBT的输入电容较电力的输入电容较电力MOSFET的稍大，要求的稍大，要求驱动电路提供的驱动电流也稍大。驱动电路提供的驱动电流也稍

9、大。l 驱动电路的形式驱动电路的形式直接驱动（用于单管）直接驱动（用于单管）隔离驱动（变压器隔离、光耦隔离）隔离驱动（变压器隔离、光耦隔离）应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-12l驱动电路的构成驱动电路的构成分立元件驱动电路分立元件驱动电路专用驱动模块专用驱动模块抗干扰能力强、保护功能完善、性能可靠；抗干扰能力强、保护功能完善、性能可靠；集成化程度高、使用方便；集成化程度高、使用方便；应用普遍。应用普遍。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-13（）富士公司（）富士公司IGBT驱动模块驱动模块应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-14（）东芝公司（）东芝

10、公司IGBT驱动模块驱动模块应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-15二、设计驱动电路要考虑的主要因素二、设计驱动电路要考虑的主要因素l柵极驱动电压柵极驱动电压UGE(UGS)l柵极负偏电压柵极负偏电压-UGE(-UGS)l柵极驱动电阻柵极驱动电阻RGl隔离用光耦隔离用光耦、柵极驱动电压、柵极驱动电压UGE(UGS)UGE对管子通态损耗和短路电流有影响：对管子通态损耗和短路电流有影响：UGEUCE通态损耗通态损耗、短路电流短路电流一般取一般取UGE 15V15V应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-162、柵极负偏电压、柵极负偏电压-UGE(-UGS)加加-UGE的主要

11、原因：防止管子误导通的主要原因：防止管子误导通 管子在关断期间将承受较大的管子在关断期间将承受较大的dUCG /dt，可能，可能会关不断。加会关不断。加-UGE后可以提高关断可靠性。后可以提高关断可靠性。一般取负偏电压为：一般取负偏电压为：-5V或或-10V应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-17、柵极驱动电阻、柵极驱动电阻RGRG对管子动态性能影响较大：对管子动态性能影响较大： RG 管子开关速度管子开关速度、开关损耗、开关损耗关断时管子承受的尖峰电压关断时管子承受的尖峰电压开通时承受的尖峰电流开通时承受的尖峰电流 RG一般取一般取330330欧，管子容量越大，欧，管子容量越大

12、， RG应越小；应越小；管子工作频率越高，管子工作频率越高， RG应越小。应越小。、隔离用光耦、隔离用光耦主要考虑快速和耐主要考虑快速和耐du/dt能力能力常用的隔离光耦有：常用的隔离光耦有：TLP559、HCLP-4503、HCLP-4505应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-18、柵射极电阻、柵射极电阻RGE和柵射极稳压管和柵射极稳压管（）（）RGE的作用：防止管子误导通的作用：防止管子误导通 在管子受到外界干扰时，集射极电压有可能超过其阀在管子受到外界干扰时，集射极电压有可能超过其阀值，引起管子误导通，加值，引起管子误导通，加RGE可阻止这一现象发生。可阻止这一现象发生。

13、RGE 管子开通时间管子开通时间 一般取一般取RGE =(10005000) =(10005000)RG（）柵射极稳压管的作用：阻止短路电流形成（）柵射极稳压管的作用：阻止短路电流形成正反馈。正反馈。当电路发生短路时，当电路发生短路时，Ic柵射极产生柵射极产生尖峰尖峰电压脉冲电压脉冲IIc c形成正反馈。形成正反馈。加稳压管可阻加稳压管可阻止止正反馈正反馈现象发生。现象发生。 一般取一般取稳压值稳压值=UGE+1V。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-19一、概述一、概述1、电力电子器件串并联、电力电子器件串并联 的目的的目的扩大装置容量扩大装置容量2、串并联、串并联 的要求的要

14、求当器件的额定电压小于实际要求时可以用多当器件的额定电压小于实际要求时可以用多个个同型号同型号器件器件串联串联，串联使用时串联使用时要求各器件要求各器件承受的电压相等；承受的电压相等；当器件的额定电流小于实际要求时可以用多当器件的额定电流小于实际要求时可以用多个个同型号同型号器件器件并联并联，并联使用时并联使用时要求各器件要求各器件承受的电流相等。承受的电流相等。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-203、串并联带来的问题、串并联带来的问题（1）串联器件的均压问题）串联器件的均压问题串联器件串联器件静态特性静态特性不一致会造成串联器件不一致会造成串联器件静静态不均压态不均压，阻断

15、电阻大的管子承受较大的电，阻断电阻大的管子承受较大的电压；压；串联器件动态特性不一致会造成串联器件串联器件动态特性不一致会造成串联器件动动态不均压。态不均压。b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-21b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2不均压的后果不均压的后果：承受正向电压时，承受正向电压时，承受电压高的器件首先达到转承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用；通，失去控制作用

16、；承受反向电压时承受反向电压时，可能使其中一个器件先反向击，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。穿，另一个随之击穿。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-22（2）并联器件的均流问题）并联器件的均流问题并联器件并联器件静态特性静态特性不一致会造成并联器件不一致会造成并联器件静静态不均流态不均流，通态压降（通态电阻）小的管子，通态压降（通态电阻）小的管子承受较的大电流；承受较的大电流；并联器件动态特性不一致会造成并联器件并联器件动态特性不一致会造成并联器件动动态不均流。态不均流。不均流的后果不均流的后果： 承受电流大的器件首先因过流而损坏，然承受电流大的器件首先因过流而损坏

17、，然后使另一个器件承担全部电流也损坏。后使另一个器件承担全部电流也损坏。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-231、串联晶闸管的均压措施、串联晶闸管的均压措施 尽量选用特性一致的器件尽量选用特性一致的器件 并接均压电阻并接均压电阻RP使其中流过的电流远大于器件使其中流过的电流远大于器件漏电流漏电流静态均压静态均压 （注意：（注意：RP若过大则起不到均若过大则起不到均压效果，过小则会造成上压效果，过小则会造成上RP损耗过大）。损耗过大）。 应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-24 并接电容并接电容Cb、电阻、电阻Rb支路支路 利用电容电压不能突变的特利用电容电压不能突

18、变的特性减慢电压的上升速度性减慢电压的上升速度动动态均压态均压（ Rb用于防止晶闸管导通瞬间，用于防止晶闸管导通瞬间，电容电容Cb对晶闸管放电造成过大对晶闸管放电造成过大的的di/dt）。）。 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异，达到上的差异，达到动态均压效果动态均压效果。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-252、并联晶闸管的均流措施、并联晶闸管的均流措施 晶闸管的均流措施较多，不论采用哪种措施，晶闸管的均流措施较多，不论采用哪种措施，首先应尽量选用特性一致的器件。首先应尽量选用特性一致的器件。串耦合电抗器串耦合电抗器v

19、 具有具有动态均流动态均流和和静态均流静态均流作用作用v 能限制能限制di/dt的变化的变化 v 电抗器本身较笨重，接线也较电抗器本身较笨重，接线也较复杂。复杂。v 一般用于两个晶闸管的并联，一般用于两个晶闸管的并联，多个晶闸管并联时，串独立电抗多个晶闸管并联时，串独立电抗器。器。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-262、并联晶闸管的均流措施、并联晶闸管的均流措施（续）（续）串电阻串电阻 v静态均流作用静态均流作用v电阻损耗大。电阻损耗大。 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。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-27 功率功率MOSF

20、ET和和IGBT的导通电阻的导通电阻Ron具有正温具有正温度系数，它能使多个并联的功率度系数，它能使多个并联的功率MOSFET自动自动均流均流 ，因此一般情况下，多个功率，因此一般情况下，多个功率MOSFET可可以直接并联使用，不需要采取均流措施。以直接并联使用，不需要采取均流措施。 串联均压措施串联均压措施 尽量选用特性一致的器件尽量选用特性一致的器件 在各在各IGBT集电极和发射极之间并联阻值相集电极和发射极之间并联阻值相等的电阻。等的电阻。 应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-281、电力电子器件串、并联的目的。、电力电子器件串、并联的目的。2、串、并联带来的问题：串联带来

21、均压问题；并、串、并联带来的问题：串联带来均压问题；并联带来均流问题联带来均流问题 。3、任何器件的串、并联，首先要保证各器件的特、任何器件的串、并联，首先要保证各器件的特性基本一致。性基本一致。4、SCR串联：需要解决均压问题。并联均压电阻串联：需要解决均压问题。并联均压电阻可以解决静态均压问题，并联阻容支路可以解可以解决静态均压问题，并联阻容支路可以解决动态均压问题决动态均压问题 。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-295、SCR并联：需要解决均流问题。串联耦合电并联：需要解决均流问题。串联耦合电抗器或独立电抗器既可以解决静态均流问题，抗器或独立电抗器既可以解决静态均流问题

22、，又可以解决动态均流问题又可以解决动态均流问题 。 6、对、对SCR 采用强脉冲触发有助于动态均压和动采用强脉冲触发有助于动态均压和动态均流。态均流。7、MOSFET和和IGBT的导通电阻的导通电阻Ron具有正温度具有正温度特性，本身具有一定的均流能力，因此一般不特性，本身具有一定的均流能力，因此一般不需要考虑均流问题，其均压问题一般通过并联需要考虑均流问题，其均压问题一般通过并联均压电阻来解决。均压电阻来解决。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-30 电力电子器件的保护包括电力电子器件的保护包括过电压保护过电压保护过电流保护过电流保护du/dt保护保护di/dt保护保护过热保护

23、过热保护应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-31u过电流产生的原因过电流产生的原因u过电压产生的原因过电压产生的原因 外部原因外部原因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起浪涌过电压：雷击等外来冲击引起的过电压浪涌过电压：雷击等外来冲击引起的过电压 应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-32 内部原因内部原因换相过电压换相过电压 ：器件恢复阻断能力时，反向：器件恢复阻断能力时，反向恢复电流急剧减小，因而在线路电感上产生恢复电流急剧减小，因而在线路电感上产生过电压过电压 。关断过电压关断过电压 ：当器件关断时，正向电流迅：当器件关断

24、时，正向电流迅速减小，因而在线路电感上产生过电压速减小，因而在线路电感上产生过电压 。（注：换相过电压和关断过电压也属于操作（注：换相过电压和关断过电压也属于操作过电压，它们都是由电磁过程引起的过电压，过电压，它们都是由电磁过程引起的过电压，而浪涌过电压则是有外部侵入的偶然性过电而浪涌过电压则是有外部侵入的偶然性过电压。）压。）应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-33 常用的保护措施：常用的保护措施：过电压保护过电压保护 、过电流保护、过电流保护、du/dt限制、限制、 di/dt限制限制（1）过电压保护）过电压保护 阻容吸收回路阻容吸收回路能有效抑制操作过电压：能有效抑制操作过

25、电压：可接在电路的交流侧、直流侧或并接在晶闸可接在电路的交流侧、直流侧或并接在晶闸管的阳极与阴极之间管的阳极与阴极之间 。由硒堆及压敏电阻等非线性元件造成吸收回由硒堆及压敏电阻等非线性元件造成吸收回路路 能有效抑制浪涌过电压能有效抑制浪涌过电压：可接在变流：可接在变流装置的进线端。装置的进线端。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-34（2）过电流保护）过电流保护快速熔断器快速熔断器电流继电器、过负荷继电器、直流快速断路电流继电器、过负荷继电器、直流快速断路器等。器等。 应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-35 快速熔断器的接法快速熔断器的接法应用基础2021-10-

26、21器件应用基础课件11-36（3）du/dt限制限制造成造成du/dt过大的原因：过大的原因：（1）由电网侵入的过电）由电网侵入的过电压造成，（压造成，（2）由晶闸管）由晶闸管换相造成。换相造成。限制方法限制方法：加缓冲电路：加缓冲电路RabcTLudicibiaLBLBLBikVT1VT2VT3udidtOtOiciaibiciaIduaubuc（4）di/dt限制限制造成造成di/dt过大的原因：过大的原因：（1）晶闸管导通时阻）晶闸管导通时阻容保护电容向晶闸管放电，（容保护电容向晶闸管放电，（2）晶闸管换相）晶闸管换相限制方法限制方法：加缓冲电路：加缓冲电路应用基础2021-10-21

27、器件应用基础课件11-37 常用的保护措施：常用的保护措施：（1 1）防止静电击穿；）防止静电击穿；（2 2）过电压保护）过电压保护防止栅极开路工作、缓冲防止栅极开路工作、缓冲电路、主电路跳闸；电路、主电路跳闸；（2 2）过电流保护）过电流保护检测到电流异常时迅速撤检测到电流异常时迅速撤除驱动信号。除驱动信号。（4）过热保护）过热保护利用温度传感器检测管子的利用温度传感器检测管子的壳温，当超过允许温度时迅速撤除驱动信号。壳温，当超过允许温度时迅速撤除驱动信号。（5） du/dt限制限制加缓冲电路加缓冲电路应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-38 常用的保护措施：常用的保护措施：（

28、1）过电流保护）过电流保护通过检出的过电流信号迅通过检出的过电流信号迅速切断驱动信号；速切断驱动信号； （2 2）过电压保护）过电压保护防止栅极开路工作、缓冲防止栅极开路工作、缓冲电路、主电路跳闸；电路、主电路跳闸；（3）过热保护）过热保护利用温度传感器检测管子的利用温度传感器检测管子的壳温，当超过允许温度时迅速撤除驱动信号。壳温，当超过允许温度时迅速撤除驱动信号。（4）du/dt限制限制加缓冲电路加缓冲电路应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-39 IGBT的过电流保护的过电流保护IGBT的过电流识别方法（检测原理）：在正的过电流识别方法（检测原理）：在正常工作时，常工作时，IG

29、BT的通态饱和电压降的通态饱和电压降Uon与集电与集电极电流极电流IC呈近似线性变化的关系，识别呈近似线性变化的关系，识别Uon的大的大小即可判断小即可判断IGBT集电极电流的大小。集电极电流的大小。应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-40过电流保护要注意的问题过电流保护要注意的问题 保护时间（识别时间保护时间（识别时间 关断时间）必须小于关断时间）必须小于IGBT对短路过电流的允许承受时间。对短路过电流的允许承受时间。识别时间识别时间 ：一般为：一般为10秒。检测到过流后，先减秒。检测到过流后，先减小柵极驱动电压小柵极驱动电压UGE ，以延长过电流的允许承，以延长过电流的允许承

30、受时间，当受时间，当10秒后过电流仍存在则关断秒后过电流仍存在则关断IGBT。关断方法关断方法 采用采用“慢速关断慢速关断”过电流时若以正过电流时若以正常速度关断，则常速度关断，则会因会因didt过大过大而产生很高的尖而产生很高的尖峰电压峰电压 。IGBT的过电流保护的过电流保护应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-41 缓冲电路（缓冲电路（Snubber Circuit）又称吸收电路。）又称吸收电路。 缓冲电路的作用缓冲电路的作用抑制电力电子器件过电压抑制电力电子器件过电压抑制过电流抑制过电流抑制电力电子器件关断时的抑制电力电子器件关断时的du/dt抑制电力电子器件开通时的抑制电力电子器件开通时的di/dt减小器件的开关损耗减小器件的开关损耗 不同电力电子器件所用的缓冲电路的保护侧重不同电力电子器件所用的缓冲电路的保护侧重点是不一样的点是不一样的应用基础2021-10-21器件应用基础课件11-42 缓冲电路的基本类型缓冲电路的基