《变流器运行与维护》课件-2.5 变流器驱动电路与保护检测电路

任务四变流器驱动电路与保护检测电路2026/3/26变流器驱动电路与保护检测电路变流器驱动电路与保护检测电路

变流器控制电路肩负着复杂的PWM计算任务，它根据外部（主控系统）命令，和测量反馈（电流、电压、频率）计算出所需的脉冲宽度，把信号发送给驱动电路去驱动电力开关管。控制器的核心是嵌入式处理器（任务二中已经学习），它具有体积小、功耗低、成本低、高性能等特点已经占领位芯片市场的以上在工业控制、网络通信等领域均有不俗的表现。除此外，还包括驱动电力、保护电路、检测电路、滤波电路等，变流器驱动电路与保护检测电路Catalogue目录01驱动电路02器件保护电路03检测反馈电路04输出滤波器电路01驱动电路

一、驱动电路1.驱动电路的含义驱动电路—主电路与控制电路之间的接口。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。对器件或整个装置的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。

一、驱动电路2.驱动电路的基本任务

将信息电子传来的信号按照控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，用以施加开通或关断的信号。

对于变流器，驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM脉冲放大到足以驱动功率晶体管-开关功率放大作用。优良的驱动电路应能改善功率晶体管的开关特性，减小开关损耗，提高整机效率和器件可靠性。(即尽量快开、快关)

一、驱动电路3.电力电子器件驱动信号的分类根据开通关断的需求，分为半控型器件和全控型器件。半控型器件只需提供开通控制信号；全控型器件既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。按信号的性质分类：电流驱动型：Thyrister、GTR、GTO

电流驱动型具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。电压驱动型：MOSFET、IGBT电压驱动型输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。

一、驱动电路4.电气隔离环节

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。（1）光隔离一般采用光耦合器。（特点：单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高）

光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型

一、驱动电路4.电气隔离环节（2）磁隔离的元件通常是脉冲变压器（利用铁心的磁饱和性能把输入的正弦波电压变成窄脉冲形输出电压的变压器，可以用于燃烧器的点火、晶闸管的触发等）。当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法。

脉冲变压器和一般变压器的区别：

脉冲变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，

普通变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波形变化。

脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而交变信号是连续重复的，既有正的也有负的电压值。

一、驱动电路4.电气隔离环节

通常情况下，开关量信号采用光隔离，模拟量信号采用磁隔离的方式。驱动电路具体形式可以为分立元件的，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。

一、驱动电路（二）常见驱动电路

1.电源IC直接驱动

电源IC直接驱动是最简单的驱动方式，通常IC芯片通过Rg电阻直接与与MOS管相连。Rg（10Ω）为限流电阻，有限流、消振的作用。C1、C2、C3为伴生结电容。当MOS管导通之前，首先对C2进行充电，如果没有Rg节流，将会产生较大的充电电流，烧坏IC芯片。在关断瞬间，C2、Rg组成RC震荡电路，释放C2中电荷。R1（10KΩ）为下拉电阻，防止在MOS门极产生高电压。

一、驱动电路应该注意几个参数以及这些参数的影响。①查看电源IC手册的最大驱动峰值电流，因为不同芯片驱动能力很多时候是不一样的。②了解MOS管的寄生电容，如图C1、C2的值，这个寄生电容越小越好。如果C1、C2的值比较大，MOS管导通的需要的能量就比较大，如果电源1C没有比较大的驱动峰值电流那么管子导通的速度就比较慢，就达不到想要的效果。

一、驱动电路（二）常见驱动电路

2.加速关断驱动MOS管一般都是慢开快关。在关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压快速泄放，保证开关管能快速关断。

一、驱动电路（二）常见驱动电路

2.加速关断驱动为使栅源极间电容电压的快速泄放，常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管，如上图所示，其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小，同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大，把电源1C给烧掉。

一、驱动电路（二）常见驱动电路

3.隔离驱动为了满足高端MOS管的驱动，经常会采用变压器驱动。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的电感与C1形成LC振荡，C1的目的是隔开直流，通过交流，同时也能防止磁芯饱和。

一、驱动电路（二）常见驱动电路

4.推挽驱动当电源1C驱动能力不足时，可用推挽驱动。推挽驱动由两个放大三极管，分别是PNP型和NPN型。当IC芯片输出为1时，上端PNP三极管导通，下端NPN型三极管截止，Vcz通过上三极管，经Rg对C2充电，MOSFET管导通；当IC芯片输出为0时，下端NPN型三极管导通，C2通过下端NPN型三极管对地快速放电，实现对MOSFET管的快速关断。好处是提升电流提供能力，迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需要的时间，但是减少了关断时间，开关管能快速开通且避免上升沿的高频振荡。

一、驱动电路（三）米勒效应的基本原理

密勒效应（MillerEffect）是电子电路中的一个重要现象，主要描述了跨接在放大器输入和输出端之间的电容（或其他阻抗）因电压增益而产生的等效电容变化，从而影响电路的高频性能。三极管是电流控型器件，通过电流控制三极管的工作区，而MOSFET与之相对是压控型器件，栅-源阻抗非常大，我们一般认为MOSFET栅-源工作电流可以忽略，那既然MOSFET是压控型器件，为什么设计MOFET驱动电路时，栅极驱动电流要大呢？

一、驱动电路（三）米勒效应的基本原理

在MOSFET开关过程中，由于MOSFET寄生电容的米勒效应，MOSFET的“栅极-源极”电压(VGS)会保持在一个固定电压水平的现象。这一现象与MOSFET的寄生电容、以及驱动电路密切相关。

MOSFET的寄生电容包括栅极-漏极电容(Cgd)和栅极-源极电容(Cgs)。虽然栅源电容很重要，但栅漏电容实际上更重要。并且更难以处理，因为它是一个随电压变化的非线性电容。其中，Cgd是导致米勒效应的主要因素。当MOSFET开关状态发生变化时，漏极电压(VDS)会发生大幅度的变化，Cgd的存在导致栅极需要提供更多的电荷或移除更多的电荷来应对这种变化。

一、驱动电路开通过程

t1:gs电容开始充电，电压抬升，电压达到阈值电压（Vth）之前，没有电流流过D。栅极驱动电压(VGS)逐渐上升并达到阈值电压(Vth)。t2:当栅极驱动电压(VGS)超过MOSFET的阈值电压(Vth)后，Cgs继续充电，VGS继续抬升，Ids电流成比例增大，在此阶段由于Rds较大，所以虽然Cgd也能通过G->D->S进行充电，但是电流较小，可以忽略.

一、驱动电路开通过程

t3:之后漏极drain电流达到Id，VDS电压开始下降，Id不再发生变化，此时VGS电压也不再变化，此时Ig电流基本都用于给Cdg充电。在此过程中，漏极电压(VDS)开始下降，导致Cgd两端的电压变化，从而引发米勒效应。由于栅极电流(IG)的一部分用于驱动Cgd，VGS会暂时停止增加，形成“米勒平台”。t4:Vds电压降低为：Id*Rds(on)，MOS开始进入饱和区，此时Vd不再受传输特性限制（与Id有关），并开始自由增加。到达t4时间点，Vg电压达到gate电流源电压。t3之后的充电不是用于MOS开关的充电，简单来说就是过充，是由驱动电路导致的，这是由于Vgate的驱动电压一般会高于完成MOS由关到开的切换所需最小电压。

一、驱动电路（2）关断过程

在关断时，漏极电压(VDV)开始从低电位上升到高电位，同样引发米勒效应。栅极电压(VGS)在米勒平台电压附近保持稳定，直到漏极电压变化完成米勒平台形成的根本原因是MOSFET的寄生电容导致的，而电容的电荷Q=I*t，在Q一定的情况下，I越大，t就越小，这个I就是MOSFET的栅极驱动电流。所以米勒平台的持续时间取决于栅极驱动电流和寄生电容的值。

一、驱动电路（四）MOSFET栅极（G）——源极（S）的下拉电阻

MOSFET栅极与源极之间加一个电阻？一是充当一个“偏置电压”，二是起到泄放电阻作用，推动电流的释放。02器件保护电路

二、器件的保护（一）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。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。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。

二、器件的保护（一）过电压的产生及过电压保护1.

过电压保护措施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电路过电压抑制措施及配置位置

二、器件的保护（一）过电压的产生及过电压保护1.

过电压保护措施电力电子装置可以根据具体情况只采用其中的几种，其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，其可以接于供电变压器的两侧（其中供电网一侧称网侧，电子电路一侧称阀侧），或电子电路的直流侧。RC过电压抑制电路联结方式a)单相

b)三相

二、器件的保护（一）过电压的产生及过电压保护大容量电力电子装置可以采用反向阻断式RC电路。反向阻断式过电压抑制用RC电路由于电容端电压不能突变，故可有效的抑制过电压浪涌尖峰。其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压。

二、器件的保护（一）过电压的产生及过电压保护4、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、比较陡的伏安特性:作用:把浪涌电压限制在器件允许的电压范围，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△形。

二、器件的保护（二）过电流保护过电流——大于回路导体额定载电流量的回路电流，包括过载电流和短路电流。过载电流：电气回路因所接用电设备过多或所供设备过载（例如所接电动机的机械负载过大）等原因而过载。其电流值不过是回路载流量的不多倍，其后果是工作温度超过允许值，使绝缘加速劣化，寿命缩短，它并不直接引发灾害。短路电流：当回路绝缘因种种原因（包括过载）损坏，电位不相等的导体经阻抗可以忽略不计的故障点而导通，这被称作短路。由于这种短路回路的通路全为金属通路，这种短路被归为金属性短路，其短路电流值可达回路导体载流量的几百以至几千倍，它可以产生异常高温或巨大的机械应力从而引起种种灾害。回路绝缘损坏前的过电流称作过载电流；绝缘损坏后的过电流称作短路电流。

二、器件的保护（二）过电流保护保护措施：当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。

二、器件的保护（二）过电流保护同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。

二、器件的保护（二）过电流保护电子保护电路作为第一保护措施，快速熔断器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，过电流继电器一般整定在过载时动作。1.快速熔断器（熔断时间一般可以达到5ms以下。）

电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。选择快速熔断器时，应该考虑：(1)电压等级根据熔断后快速熔断器实际承受的电压确定；(2)电流容量按其在主电路中接入方式和主电路联结形式确定；(3)快速熔断器的I2t值应该小于被保护器件的允许I2t值；(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应该考虑其时间电流特性。

二、器件的保护（二）过电流保护快速熔断器对器件的保护方式：全保护和短路保护两种。全保护：过载、短路均由快速熔断器进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护方式：只在短路电流较大的区域起保护作用。注意：快速熔断器一般应用于短路电流保护场合。

二、器件的保护（二）过电流保护2.快速开关和过电流继电器快速开关用在直流电路中，它的完全分断时间最快为10ms。过电流继电器有直流和交流两种，它们的动作时间一般为几百ms。在实际装置中，为了避免经常更换快速熔断器，一般需要使用较小容量快速开关或过电流继电器，而同时选用较大容量的快速熔断器。这样，在发生过流时，快速开关或过电流继电器首先动作，即使动作速度不如快速熔断器，同样可以保护器件。经过复位后，又可以正常工作。

二、器件的保护（二）过电流保护3.使用电子保护电路进行过流保护对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快速熔断器保护），通常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，其响应最快。一般采用电流互感器检测主电路电流，转换成直流电压后送给电压比较器，与设定值进行比较。优点一是响应迅速，二是设定过流值方便。

二、器件的保护（二）过电流保护缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）—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（di/dt抑制电路）—抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路—关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。

二、器件的保护（二）过电流保护缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）—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（di/dt抑制电路）—抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路—关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。

二、器件的保护（二）过电流保护1.缓冲电路作用分析无缓冲电路：V开通时电流迅速上升，di/dt很大关断时du/dt很大，并出现很高的过电压有缓冲电路：V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因为有Li，iC上升速度减慢。V关断时：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。VDi和Ri的作用是在V关断时，给Li提供贮能的释放回路。

二、器件的保护（二）过电流保护关断时的负载线无缓冲电路时：UCE迅速上升，但仍有电流流过，负载线从A移到BiC下降到漏电流大小，负载线从B移到C有缓冲电路时：Cs分流使iC在UCE开始上升时就下降负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低。

二、器件的保护（二）过电流保护充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。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。

二、器件的保护（二）过电流保护缓冲电路中的元件选取及其他注意事项：

Cs和Rs的取值可以实验确定或参考工程手册。VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。尽量减小线路电感，且选用内部电