《电力电子技术》课件(高职高专第6版) 1.9 电力电子器件的驱动与保护

PowerElectronics电力电子技术(第5版)第1章电力电子器件1.9电力电子器件的驱动与保护电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容：（1）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。（2）过流、过压保护：包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。（3）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压

和过流，减小、减小开关损耗。（4）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量。

（5）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。

（6）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。1.9.1电力电子器件的换流方式

驱动电力电子器件，就是要实现器件的换流。

在图1.9.1中，T1、T2表示由两个电力半导体器件（用理想开关模型表示）组成的导电臂，当T1关断，T2导通时，电流i流过T2;当T2关断，T1导通时，电流i从T2转移到T1。电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流。图1.9.1桥臂的换流一般来说，换流方式可分为以下几种：

（1）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流。

（2）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移。1.9.1电力电子器件的换流方式

（3）负载换流：有负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移。

（4）脉冲换流：设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。图1.9.2给你了脉冲电压换流的电路原理图，图1.9.3为脉冲电流换流原理图。

图1.9.2脉冲电压换流原理图图1.9.3脉冲电流换流原理图

1.9.2驱动电路

驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，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。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。作用：产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。图1.9.4为基于脉冲变压器PT和三极管放大器的驱动电路。工作原理：当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器PT输出电压经D2输出脉冲电流触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，D1、DZ续流，PT的原边电压速降为零，防止变压器饱和。1.9.2驱动电路图1.9.4带隔离变压器的

SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路。工作原理：当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中R上的电压产生脉冲电流触发SCR导通。图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路1.9.2驱动电路开通：在门极加正驱动电流关断：在门极加很大的负电流2．GTO的驱动电路图1.9.6GTO的基本驱动电路1.9.2驱动电路1）图1.9.6(a)晶体管Ｔ导通、关断过程：电源Ｅ经Ｔ使GTO触发导通，电容Ｃ充电，电压极性如图示。当Ｔ关断时，电容Ｃ放电，反向电流使GTO关断。Ｒ起开通限流作用，Ｌ在SCR阳极电流下降期间释放出储能，补偿GTO的门极关断电流，提高了关断能力。该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源，其关断能力有限且不易控制。另一方面，电容Ｃ上必须有一定的能量才能使GTO关断，故触发Ｔ的脉冲必须有一定的宽度。

1.9.2驱动电路图1.9.6(a)

2.GTO的几种基本驱动电路：2)图1.9.6(b)导通和关断过程：

导通：Ｔ1、Ｔ2导通时GTO被触发；关断：Ｔ1、Ｔ2关断和SCR１、SCR２

导通时GTO门极与阴极间流过负电流而被关断；由于GTO的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；

1.9.2驱动电路图1.9.6(b)2.GTO的几种基本驱动电路：

1.9.2驱动电路

导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。

对于300A以上的GTO，用此驱动电路可以满足要求。2.GTO的几种基本驱动电路：

图1.9.6(c)图1.9.6(d)1.9.2驱动电路1)作用:

将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。

2)功能:

①提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断(期望的基极驱动电流波形如图1.9.7所示)。②实现主电路与控制电路的隔离。③具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。④电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。图1.9.7理想的基极驱动电流波形

3.GTR的驱动电路

3．GTR的参考驱动电路（1）简单的双电源驱动电路：电路如图1.9.8所示，驱动电路与GTR（T6）直接耦合，控制电路用光耦实现电隔离，正负电源(+Uc2和-Uc3)供电。（2）集成基极驱动电路：

UAA4002集成基极驱动电路可对GTR实现较理想的基极电流优化驱动和自身保护。图1.9.8双电源驱动电路1.9.2驱动电路

3．GTR的参考驱动电路图1.9.9UAA4002内部功能框图

图1.9.10UAA4002的GTR驱动电路1.9.2驱动电路

由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。1.9.2驱动电路图1.9.11采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路

图1.9.12推挽输出的栅极驱动电路

4．MOSFET和IGBT的驱动电路4．MOSFET和IGBT的驱动电路图1.9.13EXB8XX驱动模块框图

图2.9.11集成驱动器的应用电路

1.9.2驱动电路1.9.3保护电路电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。

通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。

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。1.9.3保护电路图1.9.16电力电子系统中常用的过流保护方案

1.过电流保护（过流包括过载和短路）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（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。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，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。

(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。1.9.3保护电路2．过电压保护

电力电子系统中常用的过电压保护方案：图中交流电源经交流断路器S送入降变压器T。当雷电过电压从电网窜入时，避雷器F将对地放电防止雷电进入变压器。C0为静电感应过电压抑制电容，当交流断路器合闸时，过电压经C12耦合到T的次极，C0将静电感应过电压对地短路，保护了后面的电力电子开关器件不受操作1.9.3保护电路图1.9.17电力电子系统中常用的过电压保护方案

过电压的冲击。C1R1是过电压抑制环节，当变压器T的次极出现过电压时，过电压对C1充电，由于电容上的电压不能突变，所以C1R1能抑制过电压。C2R2也是过电压抑制环节，电路上出现过电压时，二极管导通对C2充电，过电压消失后C2对R2放电，二极管不导通，放电电流不会送入电网，实现了系统的过压保护。2．过电压保护

1.9.4缓冲电路

1）原因：电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、断态四种工作状态，其中断态时承受高电压，通态时承载大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的、以及过大的瞬时功率。

2）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。

3）原理：关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制,减小关断损耗；开通缓冲电路抑制器件开通时的电流过冲和,减小器件的开通损耗。GTR开通过程：一方面ＣS经ＲS、ＬS和GTR回路放电减小了GTR承受较大的电流上升率，另一方面负载电流经电感ＬS后受到了缓冲，也就避免了开通过程中GTR同时承受大电流和高电压的情形。GTR关断过程：流过负载ＲL的电流经电感LS、二极管ＤS给电容ＣS充电，因为ＣS上电压不能突变，这就使GTR在关断过程电压缓慢上升，避免了关断过程初期器件中电流还下降不多时，电压就升到最大值,同时也使电压上升率被限制。1.9.4缓冲电路图1.9.18GTR

缓冲电路图1.9.18是一种中、小功率开关器件GTR的缓冲电路。图1.9.19所示是一种大功率开关器件GTR的缓冲电路。将无感电容器C、快恢复二极管D和无感电阻R组成RCD缓冲吸收回路。器件关断过程：电流经过C、D给无感电容器充电，使器件的UCE电压缓慢上升，可有效地抑制过电压的产生；器件开通过程：C上的电荷再通过电阻R经器