电力电子技术（第2版）课件第2章 电力电子器件的驱动与保护

第2章电力电子器件的使用问题

2.1电力电子器件的驱动电路

2.2电力电子器件的保护

2.3电力电子器件的串联和并联使用

本章小结1前课重点电气隔离有哪几种方法？预习检查主电路中电力电子器件的正常使用是主电路长期可靠运行的关键。直接承担电能变换或控制任务的电路称为主电路。电力电子器件开关运行需要驱动电路。电力电子器件都存在电压极限、电流极限和结温极限，应采取相应的保护措施。电力电子器件还可以串联和并联使用。本章对驱动、保护和串并联使用进行介绍2第2章电力电子器件的使用问题2.1电力电子器件的驱动电路

驱动电路是主电路与控制电路之间的接口作用：将控制电路的信号转换成电力电子器件的驱动控制信号。重要意义：理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，提高运行效率、可靠性和安全性。基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。

半控型器件只需提供开通控制信号；全控型器件则提供开通与关断控制信号。3驱动电路的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光电耦合有普通、高速和高传输比三种类型，如下图2-1所示：输入为高电平时，输出为低电平。

a)b)c)

磁隔离的元件通常是脉冲变压器。2.1电力电子器件的驱动电路图2-1光电耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型

4

2.1.1晶闸管触发电路

2.1.2可关断晶闸管的门极驱动电路

2.1.3大功率晶体管的基极驱动电路

2.1.4电力MOSFET的栅极驱动电路

2.1.5IGBT的门极驱动电路2.1电力电子器件的驱动电路51.晶闸管触发电路的要求触发信号应有足够大的功率。触发脉冲的同步及足够的移相范围触发脉冲信号应有足够的宽度，且前沿要陡应能产生强触发脉冲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2.1.1晶闸管触发电路62.1.1晶闸管触发电路7图2-2为理想的晶闸管触发脉冲电流波形。t1小于1µs，t1〜t2强脉宽度，IM达到3～5倍IGT。t3为脉冲宽度，应大于550µs，I为1.5～2倍IGT左右。图2-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形IG2.电气隔离的晶闸管触发电路如图2-3b）。VT2、VT3构成脉冲放大环节;TR输出构成脉冲输出环节。输入高电平，VT2、VT3导通，输出脉冲，脉冲宽度限定。输入低电平，VD1、R3续流，TR的内部激磁电流迅速降为零，防止变压器饱和。2.1.1晶闸管触发电路8图2-3b）磁耦合隔离的晶闸管驱动电路2.1.1晶闸管触发电路93）

同步信号为锯齿波的触发电路框图该电路可分为：脉冲形成与放大、锯齿波形成及脉冲移相、同步信号处理三个基本环节，以及双脉冲形成、强触发等环节。图2-4同步信号为锯齿波的触发电路框图2.1.1晶闸管触发电路10图2-4为触发电路图2-4同步信号为锯齿波的触发电路框图与原理图

同步信号处理要求锯齿波与主电源频率相同，同时满足控制角相位和移相的要求。图2-8画出了uST（同步）与uE3（锯齿uT）波形。uST从正过零,uT开始上升。uST宽度为2400。锯齿波宽度由R1C1决定。锯齿波中点位于同步电压uST正弦波的3000（-600）。2.1.1晶闸管触发电路

图2-8同步电压与锯齿波电压11

除电气隔离外，GTO门极驱动电路的一般要求有：开通时，驱动信号前沿要陡，且应有足够大的功率与足够的宽度；关断时，门极驱动电路应产生负电压并具有足够的灌电流能力；关断后，门极驱动电路应保持负电压。除上以外：当存在门极反偏电路时，开通时门极驱动应持续保持一定的驱动电流，以免误关断；2.1.2可关断晶闸管的门极驱动电路12132.1.2可关断晶闸管的门极驱动电路理想的门极驱动电路和电流波形如图2-11所示，图2-11

a）为门极驱动电路结构示意图。图2-11b），对GTO而言，门极关断电流大。图2-11门极驱动电路结构示意图及理想的门极驱动电流波形a）门极驱动电路结构示意图b）理想的门极驱动电流波形

GTR对基极驱动一般要求如下：前沿上升时间应小于1µs；开通时，较大的基极驱动电流，并应使其处于准饱和导通状态；关断时，一定的灌电流能力，关断后，应负偏压。

理想的GTR基极驱动电流波形如上图2-13所示。2.1.3大功率晶体管的基极驱动电路图2-13理想GTR基极驱动电流波形142.1.3大功率晶体管的基极驱动电路15

驱动电路如图2-14。该电路由于基极电流IB能自动适应IC的变化。ui正偏，VT1、VT2通，输出高，VT导通。图2-14实用GTR驱动电路GTR基极电流过大时，VD3通过电流，防止VT过饱和。VD3也称为贝克钳位二极管。ui零偏，VT1、VT2断，输出低，VT关断。GTR集成驱动已有商品。ABC

电力MOSFET是电压驱动型器件。栅极驱动电路的一般要求有：具有较小的输出电阻；开通时，栅源极驱动电压一般取10～15V；关断时，一般加负驱动电压；在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2.1.4电力MOSFET的栅极驱动电路图2-15理想的电力MOSFET驱动电压电流波形16图2-15为理想的电力MOSFET驱动电压电流波形。2.1.4电力MOSFET的栅极驱动电路17图2-16是推挽式直接驱动电路。ui为正偏置15V时,VT1导通，电力MOSFET快速导通。ui为零偏置时,VT2导通，电力MOSFET快速关断。

图2-16

推挽式直接驱动电路

VT1和VT2推挽工作，不会出现饱和状态，因此信号的传输无延迟。高高通低低断2.1.4电力MOSFET的栅极驱动电路18如下图2-17所示。图2-17MOSFET驱动电路ui为0时，光电耦合器截止，A输出低电平,VT3导通，约输出-VC驱动电压，MOSFET关断。

ui为正时，光耦导通，A输出高电平，VT2导通，约输出+VC电压，

MOSFET开通。该电路也可应用于IGBT的驱动，只需要将图中的P-MOSFET替换成IGBT即可。高高通低低断讨论提纲晶闸管触发电路可关断晶闸管的门极驱动电路大功率晶体管的基极驱动电路电力MOSFET的栅极驱动电路深度问题：19大功率晶体管的基极驱动电路中如何做到（设计）贝克钳位电路？总结不同器件对驱动电路的要求各不相同，由器件本身的特性决定的。SCR、GTO、GTR为电流型驱动，其驱动电路要求输出电流较大，MOSFET为电压型驱动器件。电流型驱动器件的驱动波形的开通前沿要求要陡且幅值大，目的是减小开通时间。GTO关断时，门极反向电流很大。MOSFET的驱动电压有限制。作业：2-2202.1.5IGBT的栅极驱动电路MOSFET的驱动电路原则上适用于IGBT。但IGBT栅极驱动电路必须提供正、负偏置，

由双电源供电，其中负电压-5V～-15V。大多采用与其相配套的混合集成驱动电路。

可实现IGBT的最优控制。IGBT驱动电路的种类比较多，如日本富士的EXB系列东芝的TK系列三菱的M579XX系列美国摩托罗拉的MPD系列等。21前课重点电力电子装置过电压的原因有哪些？预习检查2.1.5IGBT的栅极驱动电路22

图2-19示出了EXB系列集成模块的框图。该专用模块比分立元件组成的驱动电路更可靠，效率更高。图2-19EXB系列集成驱动器内部及外围框图a）EXB840，841（高速型）b）EXB840，841（高速型）外围电路14V0V-6V2.1.5IGBT的栅极驱动电路

GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT为全控型器件，其驱动电路具有不同的特点。GTO：前沿-幅值和陡度，关断-负门极电流，幅值和陡度要求更高。GTR：前沿有尖冲，关断时反向基极驱动电流，并加反偏截止电压。电力MOSFET：电压型驱动，驱动功率小且电路简单，关断时一般加负偏电压。IGBT：具有较小的内阻，电压型驱动，关断时应加负偏电压，多采用专用的混合集成驱动器。23

2.2.1过电压的产生及过电压保护

2.2.2过电流的产生及过电流保护

2.2.3电力电子器件的热路及过热保护

2.2.4缓冲电路

2.2电力电子器件的保护24正向过电压将产生误导通。反向过电压则晶闸管被击穿，造成永久性损坏。1.引起过电压的原因外因过电压：装置外部因素引起操作过电压浪涌过电压内因过电压：开关过程等内部因素引起

换相过电压关断过电压

为使晶闸管元件能正常工作，必须采取适当的保护措施。

2.2.1过电压的产生及过电压保护25

2.2.1过电压的产生及过电压保护262.过电压保护措施过电压保护的其本原则是，消耗过电压储存的电磁能量，保护了主晶闸管。图2-20给出常用的几种保护电路方式。图2-20晶闸管装置的过电压保护措施雷击过电压可在变压器初级加接避雷器加以保护。变比大的变压器，存在分布电容，加屏蔽层接地。阻容保护电路抑制电路中的过电压。RC在变流器装置的交流侧直流侧，并在元件上有效地抑制元件关断时的关断过电压。图2-21给出阻容保护电路的不同接法：

2.2.1过电压的产生及过电压保护27

2.2.1过电压的产生及过电压保护28图2-21

阻容保护电路的接法a）单相过电压抑制b）三相星型过电压抑制c）三相三角型过电压抑制

d）直流侧过电压抑制a）b）c）d）

2.2.1过电压的产生及过电压保护294.采用压敏电阻的过压保护对于雷击或更高的浪涌电压，采用压敏电阻等非线性电阻进行保护。压敏电阻正、反两个方向相同、比较陡的伏安持性，如图2-22所示。把浪涌电压限制在晶闸管允许的电压范围。图2-22压敏电阻伏安特性

2.2.1过电压的产生及过电压保护30由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路联结成Y形或Δ形，如图2-23所示。图2-23压敏电阻保护的联结方法a）单相联结b）三相星型联结c）三相三角型联结过电流产生原因当晶闸管变流装置内部某一器件击穿或短路触发电路或控制电路发生故障外部出现过载重载、直流侧短路或逆变失败以及交流电源电压过高或过低、缺相等状况时，均可引起过电流。由于晶闸管等过载能力差，因此，必须过电流保护。晶闸管变流装置可能同时采用的几种过电流保护措施。

2.2.2过电流的产生及过电流保护31

2.2.2过电流的产生及过电流保护322.过电流保护措施如图2-24，几种过电流保护措施，图中示出了4种。图2-24晶闸管变流装置过流保护措施L—交流进线电抗器B—电流检测FUF—快速熔断器KOC—过流继电器QCDF—直流快速开关

2.2.2过电流的产生及过电流保护331）

过流保护电子电路图2-24中的过流保护电子电路作为第一保护措施，反应最快，控制晶闸管。2）交流侧过流继电器保护通过电流检测装置（图2-24中的B），过流时，控制过流继电器，使交流接触器触点跳开，切断电源。图2-24晶闸管变流装置过流保护措施L—交流进线电抗器B—电流检测FUF—快速熔断器KOC—过流继电器QCDF—直流快速开关

2.2.2过电流的产生及过电流保护343）直流快速断路器保护见图2-24中的

QCDF，动作时间只有2ms的直流快速开关，它可先于快速熔断器动作而保护晶闸管。4）

快速熔断器快速熔断器FUF是防止晶闸管过流损坏最后一道防线,是晶闸管变流装置中应用最普遍的过电流保护措施。图2-24晶闸管变流装置过流保护措施L—交流进线电抗器B—电流检测FUF—快速熔断器KOC—过流继电器QCDF—直流快速开关

2.2.2过电流的产生及过电流保护35快速熔断器FUF可用于交流侧、直流侧和装置主电路中，具体接法如图2-25所示。图2-25过流保护用的快速熔断器的接法a）交流侧接快速熔断器b）晶闸管串快速熔断器c）直流侧接快速熔断器

2.2.3电力电子器件的热路及过热保护36电力电子器件工作后，使管芯发热、管温升高。散热途径一般有热传导、热辐射和热对抗三种方式。主要采用热传导方式。1.稳态热路图与热阻等效热路图，如图2-26所示。图2-26等效热路图

2.2.3电力电子器件的热路及过热保护37热路参数关系与电路参数关系相似。功耗P与电流类似；温升△T与电压相似；热阻R

QJɑ与电阻相似。之间的关系为:图2-26等效热路图与欧姆定律相似2.过热保护防止结温过高，避免由于结温过高而损坏器件。途径有三种：减少器件的功耗减少热阻一方面减小接触热阻，包括装配质量另一方面减小散热器热阻，包括散热器的材质、结构、表面颜色等加强冷却常用冷却方式：自冷、风冷、液冷和沸腾冷却四种。

2.2.3电力电子器件的热路及过热保护38讨论提纲IGBT的门极驱动电路（负电压大约多少伏？）过电压的产生及过电压保护（产生原因？）过电流的产生及过电流保护（产生原因？）电力电子器件的热路及过热保护（保护途径？）综合问题：39在电力电子装置中如何综合考虑过电压、过电流、过热保护。总结IGBT栅极驱动电路与MOSFET驱动电路类似，但一定要有正负输出，且需要功率较大。电力电子装置过电压保护要注意线路上（包括部容线路）电感所引起的瞬时过压过电流保护都要确认过流的原因，有的放矢，首选电路过流保护。装置散热在中大容量的电力电子装置中需精心设计，比如，风冷时，要考虑散热器、风量、环境等。作业：2-8、2-11、2-1240缓冲电路降低浪涌电压、du/dt

、di/dt

，还有减少器件的开关损耗、避免器件二次击穿和抑制电磁干扰、提高电路的可靠性。按开关状态分，缓冲电路有关断缓冲电路(即du/dt抑制电路)开通缓冲电路(即di/dt抑制电路)复合缓冲电路根据转移的能量如何处理、怎样消耗掉分两类耗能式缓冲电路馈能式缓冲电路

2.2.4缓冲电路41前课重点缓冲电路有哪些类型？预习检查BJT以一定的频率开关工作当BJT导通时，负载电流id通过BJT；当BJT截止时，负载电流id通过二极管VDL，当电感极大时，电流id基本不变。当BJT导通时，BJT电流iC很快上升到负载电流id。在BJT关断、集电极电压上升过程,一直有负载电流id通过。

2.2.4缓冲电路图2-28BJT的开关波形与缓冲电路b）电路42图2-28b）可以看出：出现集电极电压uC和集电极电流iC同时达到最大值，瞬时开关损耗最大。从图2-28c）负载轨迹线看：超过了安全工作区。应采用开通和关断缓冲电路。

2.2.4缓冲电路图2-28BJT的开关波形与缓冲电路b）开关波形c）负载轨迹线431.耗能式缓冲电路（1）关断缓冲电路原理分析：图2-29a），它由电阻、电容和二极管网络组成并与BJT开关并联连接。BJT关断时，负载电流经VDU和CU，duC/dt受到限制电容越大，duC/dt越小由于电容，所以不再会出现最大的瞬时尖峰损耗。

2.2.4缓冲电路图2-29耗能式关断缓冲电路及其波形a）耗能式关断缓冲电路44

2.2.4缓冲电路图2-29耗能式关断缓冲电路及其波形b）缓冲电容为零时c）缓冲电容较小时d）缓冲电容较大时如图

2-29b）无缓冲电容时，集电极电压上升时间极短，出现大的瞬时关断损耗；如图2-29c）,当缓冲电容CU较小，那么iC下降到零以前集电极电压已上升至电源电压；如图2-29d），当缓冲电容CU较大时，iC下降到零以后，集电极电压上升至电源电压。缓冲电容CU越大关断损耗越小。45加入缓冲电容CU后，BJT功耗下降，但缓冲电路功耗增加。因为BJT关断之后，存储的CU

Ud2

/2能量。当下一次BJT开通时，电容CU将经电阻RU和BJT放电。能量消耗在电阻上，故称耗能式关断缓冲电路。加入关断缓冲电路后的负载轨迹线如图2-29e）所示。

2.2.4缓冲电路图2-29耗能式关断缓冲电路及其波形e）负载轨迹线46（2）开通缓冲电路开通缓冲电路称为di/dt抑制电路，用串联电感缓冲。开通缓冲电路由电感和二极管VDi组成并与BJT集电极相串联，如图2-30a）

2.2.4缓冲电路图2-30开通缓冲电路波形a）开通缓冲电路

在BJT开通过程，电感Li控制电流的上升率di/dt；当BJT关断时，储存在电感Li中的能量，通过二极管消耗在和电感本身的电阻上。47

2.2.4缓冲电路48加入开通缓冲电路后的负载轨迹线如图2-29e）所示，同时采用缓冲电路和di/dt抑制电路的电路原理见图2-31所示。

图2-31耗能式缓冲电路图2-29e）负载轨迹线

2.2.4缓冲电路49（3）复合缓冲电路

复合缓冲电路，如图2-32所示。

b)图2-32复合缓冲电路a）电路原理图b）负载轨迹开通时，减少diC/dt，缓冲电容CU经RU、Li回路放电。

2.2.4缓冲电路50

b)图2-32复合缓冲电路a）电路原理图b）负载轨迹关断时，CU和DU组成有极性的缓冲电路。限制BJT的duC/dt及关断损耗，电阻RU提供放电电路。明显地改变了集电极电压和电流同时出现最大值情况。2.馈能式缓冲电路可分为无源的和有源的两种方式，其中无源馈能式缓冲电路有：（1）馈能式关断缓冲电路（2）馈能式开通缓冲电路（3）馈能式复合缓冲电路各类馈能式复合缓冲电路，电路相对复杂。3.其它缓冲电路以阻容保护为主，图2-36并联电容。

2.2.4缓冲电路51图2-36IGBT的缓冲电路2.3电力电子器件的串联和并联使用

2.3.1晶闸管的串联的串联和并联使用原则

2.3.2

电力MOSFET和IGBT并联运行52

2.3.1晶闸管的串联和并联使用原则为满足某些场合高电压大电流的需求串联以满足高压并联以满足大电流要有相应的措施来调整串、并联器件间的均压与均流。1.串联晶闸管的均压晶闸管的串联是为了提高耐压图2-37两个器件阻断特性不同晶闸管串联需解决静态和动态不均压的问题。53图2-37相同型号及容量的两个器件阻断特性的比较

2.3.1晶闸管的串联和并联使用原则静态均压措施包括选用参数和特性尽量一致的器件；RP的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。动态均压措施包括：选择动态参数和特性尽量一致的器件；用并联RDCD支路作动态均压；还有采用门极强脉冲触可以显著减小器件开通时间的差异。图2-38开关器件串联均压54

2.3.1晶闸管的串联和并联使用原则2.并联晶闸管的均流

晶闸管的并联的目的是为了承担更大的电流。如图2-39。

在同样的正向通态电压Uon下器件中流过的电流大小不等。某个甚至超过器件允许的最大电流Im而失效。由于并联器件间开关特性不一致，应当采取均流措施。图2-39相同型号及容量的元件通态特性的比较55

2.3.1晶闸管的串联和并联使用原则均流可用三种方法一是严格挑选并联联接的器件，使它们具有十分相近的正向通态特性；二是通过串联电阻、电感或相互耦合的电抗器来强迫并联器件均流，如图2-40所示；三是采用门极强脉冲触发减小器件开通时间的差异。图2-40用串联电感均流562.3.2电力MOSFET和IGBT并联运行全控开关器件注意