《变流器运行与维护》课件-模块二：电力电子器件与变流原理

项目二认识变流基本原理任务一电力电子器件参数及测试任务二变流基本原理任务三软件仿真变流电路任务一电力电子器件参数及测试任务一电力电子器件参数及测试在电气设备或电力系统电路中，能承担电能变换或控制任务的电子器件称为电力电子器件。电力电子器件要能工作在高电压和大电流状态，导通电压要低。电力电子器件主要有不可控器件、半控型器件、全控型器件。除开关型器件外，还有电容和电感（电抗）等器件。课程内容一、电阻导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。

是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种性质。导体的电阻通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆，简称欧，符号为Ω。(一)电阻的交流特性电压与电流的相位关系若加在电阻两端的正弦电压初相为零，即

结论:在电压作用下，电阻中通过的电流也是一个同频率的正弦电流，且加在电阻两端的电压同相。(一)电阻的交流特性电压与电流的相位关系若加在电阻两端的正弦电压初相为零，即（1）低电压穿越电阻低电压穿越电阻一般包括发电机侧设置的Crowbar电阻和直流侧设置的Chooper电阻。在双馈型风电机组中，这两种低电压穿越电阻常同时设置，即Chopper电阻用于吸收双馈发动机转子励磁在低电压穿越期间的冲击能量，而Crowbar电阻主要用于吸收低电压穿越期间的直流侧冲击能量，以免出现直流过电压。1.电阻的作用电阻的主要作用有：耗能、限流、降压。（2）限流、降压——驱动电路中的电阻

在电力电子驱动电路中，对门极的电流和电压有比较严格的限制，电流过大，电压过大，都容易造成门极造成击穿。电容1.电容的基本概念电容任何两个彼此绝缘又相互靠近的导体都可以构成电容器。这两个导体称为电容器的电极。电容器的电量Q、电压U和电容C的关系如图。二、电容平行板电容器电容的决定式:电容C的单位:法拉(F)、微法(uF)、皮法(PF)平行板电容器电容的决定式:电容C的单位:法拉(F)、微法(uF)、皮法(PF)电容器的特点“隔直、通交”电容既不产生也不消耗能量，是储能元件。电容器在电力系统中是提高功率因数的重要器件，在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件。（3）电容器对交变电流的阻碍作用在给电容器充电或放电过程中，在电容器两极形成跟原电压相反的电压，这就对电流产生了阻碍作用，成为容抗。通交流、隔直流，通高频、阻低频。电流超前电压90°2.电容器的种类

电容器根据介质的不同，包括：电解质电容、纸质电容、薄膜电容、陶瓷电容、云母电容、空气电容等。根据电容的作用，又有储能电容、安规电容、耦合电容等等。（1）薄膜电容器（2）电解电容电解电容是电容的一种，金属箔为阳极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。（3）安规电容安规电容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全.它包括了X电容和Y电容。X电容是跨接在电力线两线（L-N）之间的电容，一般选用金属薄膜电容；Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的电容，一般是成对出现。基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般X电容是uF级，Y电容是nF级。X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰。（4）耦合电容耦合电容又称电场耦合或静电耦合，是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。耦合电容与下一级的输入电阻构成一个RC滤波器。在电力系统中，耦合电容器是传递信号的关键设备，主要用于工频高压及超高压交流输电线路中。变流器中电容器在变流器中，直流支撑电容起着变流器输入输出能量的动态缓冲作用，由于其设计容量一般较大，因此一般考虑选用电解电容作为风电变流器的直流支撑电容。然而，由于风机的安装环境恶劣以及电解电容使用寿命短等原因，近年来，风电变流器的直流支撑电容主要考虑选用性能优越且寿命更长的薄膜电容器。相对传统氧化铝电解电容，薄膜电容具有耐压高、过流能力强、无极性、允许温度高寿命长、自愈功能等突出优点。（三）电感1.电感的概念

通电导体产生的磁效应叫电磁感应，简称电感。电感元件是一种储能元件。电感器件一般是指螺线圈，由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上，导线彼此之间互相绝缘，而绝缘管可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯。

线圈磁链与电流的比例系数称为电感，用符号“L”表示，用L表示，单位有亨利(H)、毫亨利(mH)、微亨利(uH)，1H=10-3mH=10-6uH

这条直线就是电感元件的特性曲线，类似于电阻元件的伏安特性曲线，磁链的单位是韦伯，电流的单位是安培，所以电感元件的特性曲线称为韦安特性曲线。电感对交流的阻碍作用叫感抗；电感的电感量越大，对通过频率越高的交流电产生的感抗也就越大。自感现象只发生在交流电路中，电路中如果是直流电，电感线圈中就不会产生感应电动势。l电感器对交流电有阻碍作用，此作用称为感抗.l线圈的电感(即自感系数L)越大，交流电的频率越高，感抗越大,2.电感器的作用"阻高频，通低频"电感作用：通直流，阻交流：滤波、振荡、延迟、谐波【思考题】当交流电源的电压有效值是220V，频率为50Hz时，三盏电灯的亮度相同，当电源电压不变，只将交流电源的频率改变为100Hz时，则各灯亮度变化情况为:a灯

，b灯

，c灯

。（亮”、“变暗”或“不变”)解析:频率变大，电容器容抗减小，又因电源电压不变，故a灯变亮;频率变大，电感线圈的感抗变大，又电源电压不变，故灯变暗;频率的变化对电阻无影响，故c灯亮度不变，电源电压不变指电压有效值不变，当频率变大时，容抗变小，感抗变大，电阻阻值不变.

答案:变亮、变暗、不变3.共模干扰与差模干扰计算机内部的主板上混合了各种高频电路、数字电路和模拟电路，它们工作时会产生大量高频电磁波互相干扰，这就是电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）。干扰电磁场在线—线之间产生差模电流，在负载上引起干扰，这就是差模干扰；骚扰电磁场在线—地之间产生共模电流，共模电流在负载上产生差模电压，引起干扰，这就是共模的地环路干扰。4.电抗器实质上是一个无导磁材料的空心或铁芯线圈，电气回路的主要组成部分有电阻、电容和电感。电感具有抑制电流变化的作用,并能使交流电移相。电容器回路阻尼电抗器在电容器回路安装阻尼电抗器(即串联电抗器)，电容器回路投入时起抑制涌流的作用。同时与电容器组一起组成谐波回路，起各次谐波的滤波作用。线路并联电抗器可以补偿线路的容性充电电流，限制系统电压升高和操作过电压的产生，保证线路的可靠运行。（四）二极管

二极管是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。二极管有两个电极，正极，又叫阳极；负极，又叫阴极，给二极管两极间加上正向电压时，二极管导通，

加上反向电压时，二极管截止。

二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开

。PN结的单向导电性外加电场的作用下，PN结的内电场和电子漂移平衡状态被打破（1）稳压管工作原理在一定电压范围内，随着流过稳压二极管的电流变化，稳压二极管两端电压大小基本保持不变典型的串联型稳压电路：在此电路中，三极管T的基极被稳压二极管D稳定在13V，那么其发射极就输出恒定的13-0.7=12.3V电压了，在一定范围内，无论输入电压升高还是降低，无论负载电阻大小变化，输出电压都保持不变，2.肖特基二极管肖特基二极管的一维基本结构，其通过将掺杂的半导体区域（通常是N型）与金属（例如金、铂、钛等）连接起来形成的。形成的并不是PN结，而是金属-半导体结。肖特基势垒二极管的正向压降比普通的PN结二极管低。由硅制成的肖特基势垒二极管的正向压降呈现出0.3伏至0.5伏得正向压降。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可以达到几千安培，可以作为开关二极管和低压大电流整流二极管使用（五）三极管02电力晶体管

电力晶体管苏格拉底功率开关器件是变流器实现电能变换的基础，适合的开关器件是确保变流器安全、可靠、经济运行的前提。（1）第一代器件。其主要以功率二极管和晶闸管为代表，是电力电子技术发展早期的主要器件，是传统电力电子技术的标志，（2）第二代器件。其主要以门极关断晶闸管(GTO)、:双极型晶体管(BJT)和功率场效应管(PowerMOSFET)为代表。这一代器件相对于第一代器件最明显的区别是能够进行可控开断。（3）第三代器件。其主要以高性能的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等器件为代表。其中，IGBT是第三代功率半导体器件的典型代表。1，分类

根据器件的可控制性，分为：(1)不可控器件—电力二极管（2)半控型器件。晶闸管，也叫可控硅，是可控制导通的二可控整流。(3)全控型器件。可通过控制信号控制其导通或关断的器件，主要有门极可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。电力电力MOSFET采用多元集成结构，一个器件由104~105个小MOSFET元组成，不同生产厂家采用不同设计。电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET栅（G）源（S）极非常薄，很容易击穿，所以在电路设计时常用在G-S间接稳压二极管进行保护，防止高电压击穿。同时，在G-S间接分压电阻，保持G极启动电压。（三）IGBTIGBT的结构简化等效电路(MOSFET+GTO)2.IGBT选用IGBT模块选用必须从电气和散热两方面考虑。一方面，从电气设计角度需要考虑IGBT模块在实际应用中承受的电压和电流，并使得IGBT工作在安全工作区(SOA)内。另一方面，从热设计角度还须考虑IGBT模块的工作温度使器件结温低于器件的规格书中的技术指标，（1）电压选择对于风电变流器而言，直流母线电压(Vcc)决定了IGBT模块耐压(Vces)的选择。例如，对于采用两电平拓扑的变流器而言，通常IGBT模块的耐压选择应达到或接近直流母线电压的两倍，即使在最恶劣的情况下，IGBT模块的耐压也不能低于直流母线电压的1.5倍。比如对应690V风电变流器，母线电压为1100V，则选用1700V的IGBT模块。（2）电流选择IGBT模块电流的选择需要考虑模块的额定电流和过载设计。对于三相变流器而言，其输出额定电流Io可以计算为

式中，Po为输出额定功率，Uo为输出额定电压，COSθ为功率因数。（4）IGBT驱动电压对于IGBT驱动电压的选择，主要包括正、负驱动电压的取值。IGBT驱动正电压取值范围为13.5~16.5V，推荐15V，这样IGBT既可以饱和导通，又可以适当降低IGBT的导通损耗，IGBT驱动负电压设置的目的是为避免IGBT由于dv/dt和米勒效应而误导通，同时也考虑能够相应地降低模块的关断损耗，IGBT驱动负电压取值范围为-15V~-5V。对于4500VHVIGBT推荐的关断负压是-15V，而对于1700V的IGBT模块，可以采用-10V的负压关断。3IGBT两端并联二极管作用在逆变电路接感性负载的情况下，感性负载中的电流不能突变，在换相时，为了维持电感上的电流，IGBT中的电流会转移到反并联的二极管上，以维持流的持续流动。（四）IPM智能功率模块智能功率模块IPM(IntelligentPowerModule)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过压、过流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到外部CPU作中断处理检查内部续流二极管。IGBT模块的上下桥臂两端分别连接至直流母排的正负极，将万用表拨在二极管挡，红表笔放在E极，黑表笔C极，压降在0.5-1V之间，说明IGBT的续流二极管正常；若为无穷大或短路，说明IGBT已损坏。（二）IGBT测量用9V电池给IGBT的栅极G和发射极E施加正向电压，测量集电极C和发射极E的导通情况；用9V电池给栅极G和发射极E施加反向电压，以使IGBT关断，万用表的阻值再次变大，即可判断IGBT的通断功能是否正常。碳化硅（SiC）碳和硅的化合物、氮化镓（GaN）是宽禁带半导体材料，俗称第三代半导体材料。是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料。相比传统的硅材料(Si)，碳化硅(SiC)的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电,压为硅的8-10倍；电子饱和漂移速率为硅的2-3倍。SiC电力晶体管——第三代半导体材料随着5G、新能源等高频、大功率射频及电力电子需求的快速增长，硅基半导体器件的物理极限瓶颈逐渐凸显，任务二

变流基本原理任务一电力电子器件参数及测试任务二变流基本原理任务三软件仿真变流电路任务二变流基本原理任务二变流基本原理一、DC-DC变换器原理(DC/DCConverterPrinciple)

直流变换电路主要工作方式是脉宽调制(PWM)工作方式，基本原理是通过开关管把直流电斩成方波（脉冲波），通过调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）来改变电压。1.DC-DC变换基本原理（1）降压斩波电路（Buck变换器）改变占空比调节输出电压就是(PWM)法，也称为定频调宽法。由于输出电压比输入电压低，称之为降压斩波电路或Buck变换器。任务二变流基本原理方波脉冲不能算直流电源，实际使用要加上滤波电路，图2是加有LC滤波的电路，L是滤波电感、C2是滤波电容、D是续流二极管。V导通时，L与C2蓄能，向负载R输电；当V关断时，C2向负载R输电，L通过D向负载R输电。输出方波选用的频率较高，一般是数千赫兹至几十千赫兹，故电感体积很小，输出波纹也不大。输出电压Ub=D×Ua，D是占空比，值为0至1。任务二变流基本原理2.升压斩波电路(Boost)当开关管V导通时，电流通过电感L时会在L中存储能量，此时负载上的电压由C2提供，当开关管V关断时，电感L释放能量，输出电压为输入电压Ud与L产生的电压相加，故提高了输入电压。UR=UL+Uc输出电压

UR=Ud/（1-D），D是占空比，值必须小于1。任务二变流基本原理三通道多重化并联升压型变换电路三个通道开关周期相同、通断时间相同，关键是三个开关管通断时间必须均匀错开才能起到降低输出波纹的作用。多通道并联电路可增大输出电流。任务二变流基本原理2.推挽式功率变换电路推挽式功率变换电路是双象限变换电路，见图5，W1与W2圈数都为N1，构成一个有中间抽头的线圈，作为输出变压器的初级，W3与W4圈数都为N2，构成一个有中间抽头的线圈，作为输出变压器的次级，V1与V2交替导通，在次级就会感生电压，经全波整流后滤波到负载。变压器把太阳电池与用户隔离开来，有利于系统的安全。推挽式功率变换电路电路简单，使用器件少，但开关管要承受两倍的输入电压，一般只在微、小型变换器中使用。任务二变流基本原理3.单相全桥变换电路任务二变流基本原理二、DC-AC逆变电路1.面积等效原理转换图4-9等效电力原理PWM称为脉宽调制，它的理论基础为面积等效原理，即在采样过程中，冲量相同而形状不同的窄脉冲加在同一惯性环节上时，效果相同。任务二变流基本原理根据面积等效原理，把正弦半波分为N等份，这些波形宽度相同，但幅值不同，脉冲顶部不是水平直线；把这些波形用幅值相同而宽度不同的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应的正弦波面积相同，这些矩形脉冲即为SPWM波，如图4-10所示。逆变器控制器通过PWM调制来控制IGBT通断，等效地获得所需波形。图4-10SPWM波示意任务二变流基本原理2.SPWM波形的生成图3--单极性PWM波形生成原理过去采用模拟电路产生调制信号，精密而高速的电压比较器对ur和uc进行比较，当两电压相同时及时控制开关晶体管进行通断切换，但模拟电路结构复杂，也难以实现精确的控制。采用微处理器直接计算出控制点称为计算法，但计算法较繁琐，计算量大，较少使用。现在已有专用的集成电路用来产生SPWM调制信号，微处理器仅对其发出输出频率、电压等参数就可产生高精度控制信号，输出完好的正弦波，微处理器就有很多时间对整个逆变器进行检测、保护等控制。这种方式电路简单、效果好、可靠性高，是目前广泛使用的控制方法，任务二变流基本原理

从理论上讲，三角波（载波）频率越高，输出波形越接近正弦波。实际上，开关管的通断变化虽然很快，但仍需要一定的时间，在这个时间段里，开关管要承受高电压，大电流的冲击，功耗很大，高频率切换不但加大损耗降低电源效率，还可能使管子发热烧毁。一般逆变器的载波频率约几千赫兹，小功率的频率高些，大功率逆变器的频率低些。任务二变流基本原理三相逆变器，三相逆变电路则需三套SPWM调制电路任务二变流基本原理4.滤波SPWM波形由方波组成，含有较多谐波成分，必须采用输出滤波器使输出波形正弦化。图5是滤波器常用的4种类型，要根据用户电路的特性选用，最常用的还是（b）图所示的LC滤波器。要选择合适的L值与C值，如果设计不当，反过来会降低系统的动态性能，甚至使系统不稳定。任务二变流基本原理三、三电平逆变器电路德国学者Holtz于1977年首次提出三点式电路;其主电路采用常规的两电平电路结构，在每相桥臂中点与直流侧电源中点用一对反并联的功率器件辅助中点箝（qian)位，从而逆变器的每相交流输出电压有三种电平。任务二变流基本原理日本学者Nabae1980年提出新的结构中点采用二极管箝（qian)位而两个功率主管串联的方案，即中点箝位式三电平逆变器(NeutralPointClampedThree-levelInverter)中点箝位式主要有三种拓扑，二极管箝位型、电容箝位型、混合箝位型。a任务二变流基本原理电容箝位型三电平逆变器单臂电路中S1~S4为功率开关器件，C1、C2为直流分压电容。当开关管S1、S2导通时，逆变器输出端相对于中间直流回路中性点o的电压为Udc/2:开关管S3、S4导通时，逆变器输出为-Udc/2;开关管S1、S3或者S2、S4同时导通时，逆变器输出都为0任务二变流基本原理混合箝位型与二极管籍位型结构相比，它在每个桥臂的箝位二极管后增加了一个籍位电容;由于增加了一个箝位电容，T2和T3不能同时导通;三种电平Udc/2、0和-Udc/2中的0电平可以通过两种开关方式得到，即一种方式是当T2和T4同时导通且T1和T3截止，另一种是当T1和T3同时导通且T2和T4截止。任务二变流基本原理二极管箝位型三电平逆变系统任务二变流基本原理三电平优点多电平(设为N电平)逆变器与传统的两电平逆变器相比，在相同条件下具有以下优点:可产生2N-1层阶梯型输出电压，保证有更为接近正弦的波形，谐波含量减小;开关器件每次开关时电压变化率dv/dt小，为两电平逆变器的1/(N-1)，器件的开关应力减小;电流变化率di/dt也相应减小，电机的转矩脉动和电磁噪音降低，电磁干扰(EMI)问题大大减轻;效率高，在同样谐波含量时，多电平逆变器开关频率大大降低，开关损耗明显减少;适用于高压、大功率应用场合。任务四变流器驱动电路与保护检测电路2026/5/6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