电力电子技术8.ppt

1、7.6 电力电子器件的驱动 7.6.1 驱动电路概述 驱动电路的作用：将控制信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通和关断的信号。是电力电子主电路与控制电路之间的接口。 驱动电路需要提供控制电路与主电路之间的电气隔离。一般采用光隔离或磁隔离。 磁隔离一般采用脉冲变压器。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。 光隔离一般采用光电耦合器。光耦的三种类型：普通型、高速型和高传输比型。普通型光耦的输出特性和晶体管相似，只是其电流传输比IC/ID比晶体管的电流放大倍数小得多，一般只有0.10.3。,高传输比光耦的IC/ID要大得多。普通型的响应时间约为10s左右。高

2、速光耦的光敏二极管流过的是反向电流，其响应时间小于1.5s。,图7-15 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,7.6.2 晶闸管的触发驱动电路 当开关管V1、V2导通时，电源电压E2几乎全部施加在脉冲变压器的原边绕组上（R2为限流电阻，一般取值很小），通过脉冲变压器磁耦合作用，在副边产生电压上正下负，经VD2和R4（限流）作用于晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。 当V2关断时，原边电流急剧减小，其di/dt0，由楞次定律决定其原边产生下正上负的自感反电势，致使VD1导通，对原边电流形成续流通路。同时在副边也产生下负上正的电压，由于VD2反偏，副边形不成电流通路

3、。VD3的存在使此时输出给门极G与阴极K之间的电压近似为零。VD3还具有防止负脉冲和其它干扰信号影响SCR工作的效果。,若VD1和R3支路断开，在V2关断时会在原边形成很高的自感反电势，导致V2过压击穿。VD1和R3续流支路可以使V2在关断瞬间的集电极电位大为降低，并且R3越小，则此电压越低。 脉冲变压器难以传递宽脉冲。在V2管导通期间，原边电压u1E2，励磁电流i0将按照Ldi0/dt=u1 所决定的电流变化率增加（L为变压器励磁电感）。由于V2管持续导通时间过长，i0会变得很大，从而将导致铁芯磁通饱和，副边的感应电压u2，根据u2=N2d/dt，将难以达到宽脉冲传输的要求。磁芯的截面积越小

4、，越容易形成磁通饱和，则副边所得到的u2电压脉冲越窄。,通常采用对输入宽脉冲信号进行高频调制的脉冲列触发方式 。按一定占空比进行高频调制 。 在每一个窄脉冲高电平期间，V2管导通，励磁电流的上升率为正，i0近直线上升。在V2管关断时，原边反电势作用使u1为负压，由VD1和R3支路为i0提供续流通路，其变化率为负值，i0开始下降，其下降速度决定于负压的大小。该负压由i0在R3上的压降提供（也可以用稳压管来代替R3）。 i0的下降速度应保证在下一个窄脉冲到来之前，i0下降到零，从而使铁芯磁通减小到零，称作磁通复位。,若V2管关断时的u1负值与其导通时的u1正值E2相等（V2管关断时的集电极电位比E

5、2高出一倍），则要求此时输入脉冲列的占空比最大不超过50%。 uGK可以理解为u2经过整流之后的波形。,若R3较小，u1值较小，对降低V2管所承受的电压有利，但会使i0的下降速度变慢。若占空比较大，会导致磁通不能复位到零，经过若干个窄脉冲作用之后，就会越积累越大，逐渐饱和，副边电压u1及SCR触发脉冲列的幅度会逐渐变小。,R3的取值应该合理地选择，取值过大对磁通加快复位有利，但对V2管的耐压要求提高。 实际上VD1和R3就是为了V1、V2管由导通变为截止时脉冲变压器释放储能而设置的。 7.6.3 全控型器件的驱动 电流驱动型器件的驱动电路 GTO的驱动：通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极

6、反偏电路三部分。可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。 典型的直接耦合式GTO驱动电路：高频变压器原边接50kHz方波，副边采用快恢复二极管整流提供三组直流电源：+5V；+15V；-15V。VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电源。,场效应管V1开通时，输出+15V强脉冲；V2开通时输出正脉冲平顶部分；V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后通过电阻R3和R4分压提供门极负偏压。,图7-20典型的直接耦合式GTO驱动电路,GTR的驱动： 基极驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态。关断时，施加一定的负向基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后应在基射极之间施加一定的

7、负偏压（6V左右）。 抗饱和电路：常用贝克箝位电路。它由二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成。当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2就会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。使得V导通时始终处于临界饱和。 加速电容C2 ：用于加快开通过程。开通时，R5被C2瞬间短路，实现驱动基流的前沿过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,恒流驱动：驱动电流的稳态值由电源电压E、R4和R5决定，保证提供足够大的基极电流，在负载电流最大时V仍能饱和导通。该电路所能提供的最大驱动电流是恒定的，不随集电极电流变化。,图7-22GTR的一种驱动电路,关断驱动电路：由C2、V6、VS、VD4和R5构

8、成。V导通时C2所充电压极性为左正右负。V5截止、V6导通时，C2先通过V6、V的发射结和VD4放电，使V截止后，稳压管VS取代V的发射结使C2继续放电。VS上的电压使V的发射结反偏，同时VS也兼有对V的发射结的保护作用。另外C2还通过R5放电。可见C2除在开通过程中起加速电容作用外，还在关断过程中起储能电容作用（开通时充电储能，关断时释放之）。 双电源驱动：采用正负两组电源，正电源提供正向开通驱动电流，负电源提供关断时的负驱动电流和负偏压。 （抽取基区载流子，加速关断）。单电源驱动时，C2在关断过程中起着负电源的作用。利用电容储能而未用专门的负电源。VD4提供负向电流通路。,电压驱动型器件的

9、驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。要求驱动电路具有较小的输出电阻，使Cin快速充电，快速建立驱动电压。栅源、栅射极间驱动电压一般取15V左右。关断时施加-10V左右的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只数欧至数十欧电阻，可以减小寄生振荡。 电力MOSFET驱动： 包括电气隔离和晶体管放大两部分。V2管与 V3管构成互补对称输出级。输入为高电平时，光耦导通，V2管导通，V3管关断，uGS =15V左右，使开关管开通。输入为低电平时，光耦关断，V2管OFF，V3管ON， uGS =-10V 左右，使开关管关断。反向串联稳压管起双向限幅保护作用。,图7-24电

10、力MOSFET的一种驱动电路,IGBT的驱动： 现多采用专用的混合集成驱动器。比如三菱公司的M579系列厚膜驱动片（如M57962L和M57959L），电源一般为+15V和-10V。 M57962L的OC保护原理：1脚经高压快恢复二极管检测主开关管的集电极电位，一旦电流过大，反应最快的是集电极电位的升高（导通压降增大）。内设逻辑判断环节在输入光耦导通时，若检测到1脚电位为高电平，则迅速将输出关断，同时将8脚（故障指示）电位拉低，使外部配接的光耦导通，经隔离将故障信号传递给外部的微处理器或其它控制逻辑电路，以便能在数毫秒之内切断13脚输入控制信号（即在过电流时的快速响应和慢速关断）。1脚配接的3

11、0V稳压管具有防止高压串入，保护驱动片的作用。在栅射极之间的两只反向串联稳压管起双向箝位保护作用。,思考：7-5，6,图7-25M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,7.7 电力电子器件的保护 在PE系统中，保护是必不可少的重要环节，强电系统故障率比弱电系统高，危害大。 7.7.1 过电压的产生及过压保护 外因过电压：主要来自电力系统的开关操作（如分、合闸等）、电网波动、闪变、电网谐波污染以及雷击等引起的浪涌尖峰。这些影响会由供电变压器电磁感应，或经变压器绕组分布电容静电感应耦合到PE装置。 内因过电压：指在PE装置内部，电力电子器件在控制换流的开关过程中，由于电流发生突变会因线路电感

12、而在器件两端产生的过电压。,RC吸收：在变压器阀侧并联阻容，可以把变压器铁芯、漏抗及分布电容释放出来的能量转化为电容器场能储存起来。电容端压不能突变，串联电阻使能量转化过程中消耗掉一部分，并抑制LC回路振荡。,压敏电阻、雪崩二极管等亦可取代RC吸收。 整流式阻容吸收：三相时体积小，尖峰电压能量被吸收至电解电容并消耗于电阻上。,7.7.2 过电流保护 过流保护方式： 快熔、直流快速断路器或过流继电器； 电子电路保护：1）对电动机起动的冲击电流或过载等变化较慢的过电流可以利用控制系统本身调节器对电机电流进行限制；2）设置专门的过电流保护电子电路，利用电流互感器、霍尔电流传感器或取样电阻来检测电流，

13、当电流超过一定门限时，驱使网侧断路器分断，或通过电子保护电路去控制触发电路、驱动电路或直接关断主电路器件。还常采用专门的电子热保护实现过载保护。,7.7.3 缓冲电路（Snubber） 作用目的：防止PE系统内因过电压尖峰，保护器件，减小开关损耗。 关断缓冲电路（RCD）：又称du/dt 抑制电路，仅在开关管IGBT正向阻断过程起作用，VDs导通，uCE升高过程中为Cs充电，并且对iC分流。 开通缓冲电路（LRD）：又称 di/dt 抑制电路，在开关管V开通时，减小电流的上升率。 Cs总是在V开通时放电，Rs限流，形成 ic小台阶，Cs放电到零，为下次关断作好准备。iC 的减小使 Li产生下正上负的自感电