电力电子器件的保护

1、三、三、 电力电子器件的保护电力电子器件的保护（一）过电压的产生及过电压保护（一）过电压的产生及过电压保护1.过电压的产生原因过电压的产生原因外因过电压外因过电压:主要来自雷击和系统中的操作过程等外因主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 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 (2) 雷击过电压：由雷击引起（雷击过电压：由雷击引起（浪涌过电压浪涌过电压）内因过电压内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 (1) 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管

2、在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；由线路电感在器件两端感应出过电压； (2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。过电压的产生过电压的产生过电压过电压外外因过电压因过电压内内因过电压因过电压操作过电压操作过电压雷击过电压雷击过电压换相过电压换相过电压关断过电压换相过电压

3、换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束 后不能立刻恢后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压关断过电压 全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。应出的过电压。电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形形 ，

4、如图所示：，如图所示：2.过电压的保护措施过电压的保护措施针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，称为吸收回路。称为吸收回路。 （1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关断过电压）断过电压）（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻外形同瓷介电容压敏电阻外形同瓷介电容特性曲线同正反相稳压管特性曲线同正反相稳压管压敏电阻的接法压敏电阻的接法 ：a)a)单相联接单相联接b)b)三相星形联接三相星形联接 过电压抑制措施及

5、配置位置过电压抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D变压器静电屏蔽层变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用阀侧浪涌过电压抑制用RC电路电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路电路RV压敏电阻过电压抑制器压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用阀器件换相过电压抑制用RC电路电路RC4直流侧直流侧RC抑制电路抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用阀器件关断过电压抑制用RCD电路电路过电压保护措施过电压保护措施（二）过电流的产生及保护（二）过电流的产生及保护1. 产生：产生：短路、过载时会产生过电流短路、过载时

6、会产生过电流2. 保护：保护：快速熔断器（快速熔断器（1.57IT(AV)IFUITM ）快速熔断器保护的接法快速熔断器保护的接法a)串于桥臂中串于桥臂中 b)串于交流侧串于交流侧 c) 串于直流侧串于直流侧 银质银质熔丝熔丝石英沙石英沙过电流保护过电流保护过电流保过电流保护措施护措施过电流继电器过电流继电器快速熔断器快速熔断器直流快直流快速断路器速断路器同时采用几种过电流保护措施，同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性提高可靠性和合理性过电流过电流短路时的部分区段短路时的部分区段的保护的保护整定在电子电路动作之后实整定在电子电路动作之后实现保护现保护整定在过载时动作整定在过载时动作短

7、路短路过载过载过电流保护措施及配置位置 快熔是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，快熔是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施， 选择快熔时考虑：选择快熔时考虑：l 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。l 电流容量因按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。电流容量因按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。l 快熔的快熔的I I2 2t t值应小于被保护器件的允许值应小于被保护器件的允许I I2 2t t值值。l 保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。保证熔体在正常过载情况下不熔化，应

8、考虑其时间电流特性。保护方式保护方式短路保护短路保护需与其他过电流保护措施相配合需与其他过电流保护措施相配合全保护全保护只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合不论过载还是短路均由快熔保护不论过载还是短路均由快熔保护只在短路电流较大的区域内起保护作用只在短路电流较大的区域内起保护作用 根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型电流驱动型和电压驱动型电压驱动型。2.3 电流型自关断器件的驱动电流型自关断器件的驱动1.电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR） GTO的开通控制：的开通

9、控制：与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流；关断：关断：施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。推荐的推荐的GTO门极电门极电压电流波形压电流波形OttOuGiG 2. GTO驱动电路通常包括三部分：驱动电路通常包括三部分： 开通电路、关断电路和门极反偏电路开通电路、关断电路和门极反偏电路50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4 3. GTR驱动电路驱动电路GTR的一种驱动电路贝克钳位电路(抗饱和电路)栅源间、栅射间有数千皮法

10、（栅源间、栅射间有数千皮法（PF)的电容，为快速建的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；开通的驱动电压应达一定值：开通的驱动电压应达一定值：MOSFET1015V，IGBT15 20V；关断时施加一定幅值的负驱动电压关断时施加一定幅值的负驱动电压 -5 -15V）有利有利于减小关断时间和关断损耗；于减小关断时间和关断损耗；在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。的增大而减小。2.4 电压型自关断器

11、件的驱动电压型自关断器件的驱动电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分v无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压v当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压A+-MOSFET20 V20 VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC电力电力MOSFET的的一种驱动电路一种驱动电路 IGBT的驱动的驱动对驱动电路的要求1、充分陡的脉冲上升和下降沿 开通时使IGBT快速开通，减小开通损耗快速开通，减小开通损耗 关断时使IGBT快速关断，缩短关断时间，减小关断快速关断，缩短关断时间，减小关断损耗损耗2、足够大的驱动功率 导通时，使IG

12、BT功率输出级总处于饱和状态 瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。3、合适的正向驱动电压UCE 一般可取（110%）15V4、合适的反偏电压 一般为-2-10V IGBT的驱动的驱动对驱动电路的要求5、驱动电路最好与控制电路在电位上隔离 要求：6、应根据IGBT的电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的RG阻值 IGBT的驱动-多采用专用的混合集成驱动器多采用专用的混合集成驱动器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+15V30V+5VM57962 L14ui1快恢复trr0.2

13、s4.7k 3.1 100 F100 FM57962L型IGBT驱动器的原理和接线图优点优点：大大简化了IGBT的驱动电路设计，且将保护与驱动集成于一体。不仅减小了控制电路的体积，而且提高了系统的抗干扰性和可靠性。2.5 自关断器件的保护自关断器件的保护n1.缓冲电路缓冲电路缓冲电路缓冲电路（吸收电路）作用（吸收电路）作用抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路缓冲电路关断缓冲电路（关断缓冲电路（du/dtdu/dt抑制电路）抑制电路）用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗开通缓冲电路（开通缓冲电路（di/dtdi/dt抑制电

14、路）抑制电路）用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗缓冲电路缓冲电路复合缓冲电路复合缓冲电路 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上馈能式缓冲电路馈能式缓冲电路 （无损吸收电路）（无损吸收电路） 缓冲电路中储能元件的能量回馈给负载或电流缓冲电路缓冲电路通常缓冲电路专指关断缓冲电路，通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做将开通缓冲电路叫做di/dtdi/dt抑制电路抑制电路di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形缓冲电路缓冲电路无缓冲无缓冲电路电路V开通 电流迅速上升，

15、di/dt很大V关断 du/dt很大，并出现很高的过电压有缓冲电路V开通 Cs通过Rs向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有di/dt抑制电路的Li ,ic上升速度减慢。V关断 负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。 b) di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路波形tuCEOdidt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC缓冲电路缓冲电路icBADC无缓冲电路有缓冲电路ucE0关断时的负载线无缓冲电路无缓冲电路 uCE 迅速上升，负载迅速上升，负载L L上的感应电压是续流二上的感应电压是续流二极管极管VDVD开始导通，负载线开始导

16、通，负载线A A从移动到从移动到B B，iC下降到漏电流的大小，负载线随之移动到下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C C。有缓冲电路有缓冲电路 CS的分流使的分流使iC在在uCE开始上升的同时就下降，开始上升的同时就下降，负载线经过负载线经过D到达到达C，负载线，负载线ABC经过的是经过的是小电流、小电压区，器件的关断损耗比无缓小电流、小电压区，器件的关断损耗比无缓冲电路时降低。冲电路时降低。缓冲电路缓冲电路LCSRSEd缓冲电路负载LCSRSEd缓冲电路负载RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDsb)c)a)a) 充放电型RCD缓冲电路另外两种常用缓冲电路a)RC吸收电

17、路 b)放电阻止型RCD吸收电路2.电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点 R Ronon具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用注意选用R Ronon、U UT T、G Gfsfs和和C Cississ尽量相近的器件并联。尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感可在源极电路中串入小电感, ,起到均流电抗器的作用。起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点并联运行的特点 在在1/21/2或或1/31/

18、3额定电流以下的区段，通态压降具有额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系的温度系数。数。在以上的区段则具有在以上的区段则具有正温度系数。温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。2.6 任务实施任务实施-绝缘栅双极晶体管驱动电绝缘栅双极晶体管驱动电路设计路设计n采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路2.7知识拓展知识拓展-集成驱动芯片介绍集成驱动芯片介绍UAA4002的内部结构及工作原理图 UAA4002应用接线图 EXB841的电路原理图 小结小结 1、晶闸管（SCR）的触发电路应满足与主电路同步、