第七章-电力电子变流装置的控制和保护电路课件

第7章电力电子变流装置的

控制和保护电路本章所要讲述的内容晶闸管变流装置的保护电路晶闸管变流装置的触发电路电力晶体管的驱动电路IGBT的驱动电路电力电子变流装置缓冲电路本章重点常见保护电路种类和保护措施、晶闸管变流装置的触发电路的要求、同步信号为锯齿波的触发电路第1页7.1晶闸管变流装置的保护电路原因——财产安全和人身安全通常有五种保护电路：晶闸管过流保护晶闸管过压保护晶闸管du/dt保护晶闸管di/dt保护晶闸管门极保护27.1.1晶闸管变流装置的过电流保护保护措施：过电流——过载和短路两种情况负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图7.1过电流保护措施及其配置位置（P167，图7.1)3全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种7.1.1晶闸管变流装置的过电流保护47.1.2晶闸管的过电压保护外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，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。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。电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压5C、利用储能元件保护图7.4阻容过电压保护的连接方法(P170，图7.6)图7.5RCD过电压吸收电路(P171，图7.7)7.1.2晶闸管的过电压保护7图7.6晶闸管变流装置过电压保护主要措施及设置位置A─避雷器；B─接地电容，C─阻容保护；D─整流式阻容保护；E─压敏电阻保护；F─器件侧阻容保护（P169，图7.3)D、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护7.1.2晶闸管的过电压保护87.1.3限制晶闸管的du/dt和di/dt保护（1）限制du/dt保护措施(1)

产生电压上升率du／dt的原因由电网侵入的过电压。由于晶闸管换相时造成的du／dt过大。(2)电压上升率du／dt的限制方法在晶闸管两端并联一个RC或RCD吸收电路。（2）限制di/dt保护措施(1)

变换器中产生过大的di／dt的原因在晶闸管开通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电。交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容放电。直流侧负载突然短路。(2)电流上升率di／dt的限制方法在阻容保护中选择合适的电阻。在每个桥臂上与晶闸管串联一个约几到几十微亨的小电感。97.1.4晶闸管的门极保护（1）在主电路和触发电路，一些瞬变电压也可能通过布线电容或空间传播进入门极电路。（2）晶闸管的门极保护的目的除了防止本身免遭过电压（过电流）的损坏外，还要防止门极受干扰的影响而使晶闸管误触发导通。图7.7晶闸管的门极保护措施(P172，图7.8)107.2晶闸管变流装置的触发电路7.2.1晶闸管相控装置对触发电路的要求图7.8常见的触发脉冲波形(P174，图7.9)（1）触发脉冲必须有足够的功率，保证在允许的整个工作温度范围内，对所有合格的元件都能可靠触发。（2）触发脉冲应有足够的宽度，以保证晶闸管可靠导通。。（3）触发脉冲的前沿应尽量陡些。（4）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范围内移动。（5）触发脉冲与晶闸管主回路电源电压必须同步。（6）触发电路与晶闸管主回路之间有必要的电气隔离。

作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。11图7.9光耦的类型及接发(a)普通型(b)高速型(c)高传输比型(P175，图7.10)7.2.2主电路与控制电路之间的电气隔离措施变流装置中，为了防止主电路的高压引入控制电路带来安全隐患和尽量减小主电路对控制电路的电磁干扰，控制电路和主电路之间一般要采取电气隔离措施。常常用光隔离或磁隔离。12图7.10光耦的输入和输出脉冲波形(P175，

图7.11)图7.11脉冲变压器隔离电路(P175，

图7.12)7.2晶闸管变流装置的触发电路137.2.3晶闸管变流装置触发电路简介（1）主要有3种类型

A、由分立元件组成的触发电路，一般称之为分立式触发电路。

B、由模拟集成电路和少量的外围元件组成的模拟集成触发电路。

C、数字触发电路。14（2）一种比较典型的分立式触发电路—

同步信号为锯齿波的触发电路

1）脉冲形成与放大环节2）锯齿波的形成和脉冲移相环节

3）同步环节

4）强触发环节

5）双窄脉冲形成环节图7.12同步信号为锯齿波的触发电路(P176，

图7.13)7.2.3晶闸管变流装置触发电路简介15（3）模拟集成触发电路分为3类：第一类是利用运算放大器、时基电路(如555、556)等集成电路和部分分立元件构成的触发电路第二类是在分立式触发电路基础上经功能扩充后，构成了专用单片集成触发电路第三类是若干个触发电路组成的集成触发单元7.2.3晶闸管变流装置触发电路简介16KC04晶闸管移相触发集成电路图7.13锯齿波同步集成触发电路(P180，

图7.16)7.2.3晶闸管变流装置触发电路简介17图7.14KC04的实际应用电路(P181，

图7.17)KC04的典型应用电路见图13a，各引脚电压波形见图13b

7.2.3晶闸管变流装置触发电路简介18图7.156路双脉冲模拟集成触发电路(P181，

图7.18)7.2.3晶闸管变流装置触发电路简介19TC787图7.16TC787的原理框图(P182，图7.19)图7.17TC787在三相全控桥中的应用(P183，

图7.20)图7.18TC787在三相异步电动机调压调速系统中的应用(P183，

图7.21)7.2.3晶闸管变流装置触发电路简介20（4）数字触发电路图7.19数字触发器的结构框图(P183，

图7.22)7.2.3晶闸管变流装置触发电路简介21

（1）含义

如何为触发电路获取满足要求的同步电压以及正确选择同步电压，使各晶闸管的触发脉冲与主电源电压同步，确保主电路各晶闸管能按要求的顺序触发导通。

（2）举例

三相桥式全控可逆电路采用同步信号为锯齿波的触发电路

7.2.4触发电路的定相22图7.20同步变压器和整流变压器的接法及矢量图(P185，图7.23)表1三相全控桥各晶闸管的同步电压(P185，表7.1)晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+uu-uw+uv-uu+uw-uv同步电压-usu+usw-usv+usu-usw+usv7.2.4触发电路的定相237.3电力晶体管的驱动电路

作用和任务——主电路与控制电路之间的接口，将控制电路输出的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。

7.3.1电力电子变流装置驱动电路的作用247.3.2GTR对驱动电路的基本要求GTR驱动电路的设计原则——保证输出比较理想的基极电流波形和选择高效可靠的驱动电路。GTR对驱动电路的基本要求：

（1）GTR开通时，驱动电路提供的基极电流应具有足够的基极驱动和快速的上升沿，并一开始有一定的过冲，以加速开通的过程，减小开通损耗。（2）GTR导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证GTR处于饱和导通状态，使GTR的饱和压降较低，以保证低的导通损耗。为了减小存储时间，能控制GTR在关断前处于临界饱和状态，即准饱和状态。25图7.21比较理想的基极驱动电流波形(P186，图7.24)

（3）关断瞬时，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以迅速抽出基区的剩余载流子，减小存储时间ts；并加反偏截止电压，使集电极电流迅速下降以减小下降时间tf。而在功率管开通前功率管基射极间的反偏电压应为零或很小。（4）驱动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，便于集成。（5）驱动电路中常要解决控制电路与主电路之间的电气隔离7.3.2GTR对驱动电路的基本要求267.3.3GTR驱动电路简介（1）GTR具体的驱动电路形式繁多，这里仅简单介绍几个典型的GTR驱动电路。图7.22GTR的一种驱动电路(P187，图7.25)27图7.23UAA4002原理框图(P188，图7.26)在GTR的驱动专用集成电路中，法国汤姆森半导体公司的UAA4002和日本三菱公司的M57215BL得到较为广泛的应用。下面简单介绍一下UAA4002。

7.3.3GTR驱动电路简介28图7.24由UAA4002组成的GTR驱动电路(P189，

图7.27)UAA4002组成的GTR驱动电路。UAA4002的独特设计使它也非常适用于驱动电力场控器件，如电力MOSFET或IGBT。且由于UAA4002的输出电流足以快速地控制输入电容为纳法的器件，所以它特别适用于控制若干个并联的电力场控器件。7.3.3GTR驱动电路简介297.4IGBT的驱动电路

GTR为电流型控制器件，用基极电流来控制集电极电流。而IGBT是电压型控制器件，用栅极电压来控制漏极电流。因此，其对驱动电路的要求不同。7.4.1IGBT对驱动电路的要求（1）栅极正偏电压+UGE

的影响图7.25IGBT通态电压与栅极电压的关系(P190，

图7.28)30（2）

栅极负偏压-UGE

的影响图7.26集电极浪涌电流与栅极负电压的关系(P190，图7.29)（3)栅极电阻RG7.4.1IGBT对驱动电路的要求317.4.2IGBT的驱动电路简介IGBT实际应用中的一个重要问题是栅极驱动电路设计得是否合理。总的来说，由于场控制件的导电机理，IGBT的驱动电路比GTR的驱动电路简单。图7.27IGBT的驱动电路(P191，图7.30)32图7.28M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图(P193，图7.31)7.4.2IGBT的驱动电路简介33图7.29经过一级放大后驱动(用来驱动大电流模块)7.4.