第九章器件的驱动

电力电子器件器件的驱动

9.1.1

电力电子器件驱动电路概述

9.1.2

晶闸管的触发电路

9.1.3

典型全控型器件的驱动电路9.1电力电子器件驱动电路概述驱动电路—主电路与控制电路之间的接口

性能良好的驱动电路，可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意义。器件的驱动电路除完成驱动功能外，往往还完成故障保护和电气隔离。9.1.19.1.1电力电子器件驱动电路概述驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。

光隔离一般采用光耦合器,用于数十kHz以下

磁隔离的元件通常是脉冲变压器,最高可达几MHz图9-1光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型9.1.1电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类晶闸管的触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门限触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路满足下列要求：9.1.2

1.触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。对感性和反电势负载用宽脉冲或脉冲列触发。三相全桥式采用宽于60度或采用相隔60度的双窄脉冲。

2.触发脉冲应有足够的幅度。对户外寒冷地区，脉冲电流的幅度应增大为器件触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也需要增加，一般需达1-2A/us。

3.不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。

4.应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。晶闸管的触发电路可控硅常见触发驱动电路：b1端高电平—>V1通-V2导通—>脉冲变压器初级电流通过—>脉冲变压器次极感应电压（上正下负）—>VD2导通—>通过R4限流输出正脉冲b1端低电平—>V1截止—>V2截止—>电磁脉冲变压器初级经过R3和VD1，构成反方向电流通过—>脉冲变压器次极感应电压（上负，下正）—>VD2截止—>无脉冲输出图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s）t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）图9-3常见的晶闸管触发电路9.1.2ItIMt1t2t3t4典型全控型器件的驱动电路GTR是电流驱动型器件导通GTR的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区或深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间加一个负偏压（6V左右）

9.1.31.

电流驱动型器件的驱动电路

图9-6理想的GTR基极驱动电流波形tOib图9-7是一种典型的GTR基极驱动电路。图中VD2和VD3构成贝克钳位电路，可使GTR处于临界饱和导通。图中C2为开通加速电容。电路分析：

A端高电平——>光耦通电流——>V2导通——>V3截止——>V4通——>V5通，V6截止——>通过C2，R5在GTR基极加入脉冲电流

A端低电平——>光耦不通——>V2截止——>V3导通——>V4，V5截止——>V6导通——>通过VD4，R5，GTR基极反向抽流，加速GTR截止图9-7

GTR的一种驱动电路9.1.3VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2典型全控型器件的驱动电路2.

电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件电力MOSFET和IGBT的栅射极之间都有数百至数千皮法的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。MOSFET栅极驱动电压一般取10-15V。IGBT取15-20V

关断时施加一定幅值的负驱动电压（-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。9.1.3电力MOSFET的一种驱动电路A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC典型全控型器件的驱动电路9.1.3图中A为高速放大器，V2和V3构成图腾柱输出驱动电路。背靠背反串稳压管用于MOSFET门极保护。工作原理分析如下：

Ui无信号——>V1截止——>放大器A输出负电平——>V3通——>MOSFET栅极反向抽流，加速关断

Ui有信号——>光耦通——>V1通——>放大器输出正电平——>V2通——>+Vcc->V2->RG构成通路向MOSFET栅极充电，加速MOSFET导通实际应用如功率器件的用量较大或可靠性要求较高，可选用集成驱动电路如驱动GTR的有：THOMSON的UAA4002，三菱公司的M57215BL

驱动MOSFET的有：三菱公司的M57918L，IR的IR2110

驱动IGBT的有：三菱公司的M57962L和M57959L，富士公司的EXB840，EXB841等等。电力电子器件器件的保护

9.2.1

过电压的产生及过电压保护

9.2.2

过电流保护

9.2.3

缓冲电路（SnubberCircuit）9.2在电力电子电路中，除了主电路设计正确，电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护，过电流保护，du/dt保护和di/dt保护是必要的。

过电压的产生分外因过电压和内因过电压两类:1.外因过电压：a.操作过电压

b．雷击过电压

2.内因过电压：a.换相过电压

b.关断过电压过电压的产生及过电压保护

9.2.1过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内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

(1)

操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起

(2)

雷击过电压：由雷击引起内因过电压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，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

(2)

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。

9.2.1

过电压和抑制措施及配置如图9-10所示。过压抑制的种类：

a.R．C电路

b.压敏电阻

c.RCD电路图9-10过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路

9.2.1

SFRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC过电流保护过电流——过载和短路两种情况

常用措施（图9-13）电力电子装置运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种，图9-13给出了各种过电流保护措施及其配置位量。图9-13过电流保护措施及配置位置9.2.2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一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施：a电子电路过流保护电路，就近保护功率器件，如SCR，GTR，MOSFETb快速熔断器：电子保护不起作用时，由快速熔断完成c交流断路器，前两种保护不起作用，由交流熔断器完成切断电路。这种保护最彻底，但速度较慢。过电流保护9.2.2缓冲电路又称吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt电压上升率、di/dt电流上升率，减小器件的开关损耗缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。缓冲电路（SnubberCircuit）9.2.3A.关断缓冲电路又称du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断电压和换相过电压，抑制du/dt上升率，减小关断损耗，典型由RCD元件构成。B.开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗，典型由RDL器件构成。图9-14

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（SnubberCircuit）9.2.3a)b)RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC关断时的负载曲线

图9-15关断时的负载线无缓冲电路时：uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C。缓冲电路（SnubberCircuit）9.2.3在无缓冲电路的情况下，绝缘栅双极管V开通电流迅速上升，di/dt很大，也就是所承受的电流应力很大。IGBT关断时的du/dt很大，并出现很高的过电压，也就是说所承受的电压应力很大。无缓冲电路情况下，器件工作在负载线A->B->C，器件开关损耗很大，可能超安全工作区。有缓冲电路时，器件工作在负载线A->D->C，器件开关损耗很小，工作在安全区内。ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO9.2.3

缓冲电路充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。图9-14

di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。图9-16另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C。9.3电力电子器件器件的串联和并联使用9.3.1晶闸管的串联9.3.2晶闸管的并联9.3.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点9.3.1晶闸管的串联问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。9.3.1晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器