电力电子器件的保护.
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
无缓冲电路
ic A 无缓冲电路 B
uCE 迅速上升，负载L上的感应电压是续流二 极管VD开始导通，负载线A从移动到B，iC 下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。
有缓冲电路
D 0 有缓冲电路 C ucE 关断时的负载线
CS的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降， 负载线经过D到达C，负载线ABC经过的是 小电流、小电压区，器件的关断损耗比无缓 冲电路时降低。
过电压的产生
过电压
外因过电压
雷击过电压 操作过电压
内因过电压
换相过电压
关断过电压
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。 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。
2.6 任务实施---绝缘栅双极晶体管驱动电 路设计
采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路
2.7知识拓展---集成驱动芯片介绍
UAA4002的内部结构及工作原理图
UAA4002应用接线图
EXB841的电路原理图
小结
1、晶闸管（SCR）的触发电路应满足与主电路同步、能平稳移相
且有足够移相范围、脉冲前沿陡、有足够的幅值与脉宽、抗干扰 能力强等要求。锯齿波同步移相触发电路主要有同步检测、锯齿
对驱动电路的要求 1、充分陡的脉冲上升和下降沿 开通时使IGBT快速开通，减小开通损耗 关断时使IGBT快速关断，缩短关断时间，减小关断 损耗 2、足够大的驱动功率 导通时，使IGBT功率输出级总处于饱和状态 瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保 证IGBT不退出饱和区。 3、合适的正向驱动电压UCE 一般可取（1±10%）×15V 4、合适的反偏电压 一般为-2～-10V
4 VCC 14 检测电路 定时及 复位电路 接口 电路 门极 关断电路 13 5 uo ui 8 故障指示 6 VEE
1
4.7k 8 +5V 14 M57962L 1 5 4 100F 100F 快恢复 trr≤0.2 s 30V 3.1 +15V
1 检测端
13
6
-10V
M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图
波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。集成化的
锯齿波同步移相触发电路有KC（或KJ）系列。目前，以单片机为 主体的数字化触发电路在大功率整流电路中得到越来越广泛的应
用。
2、晶闸管的过压保护主要使用压敏电阻、阻容吸收等，过流保 护则采用电流检测、快速熔断器等，另外还应对du/dt、di/dt进行
• • •
电力MOSFET并联运行的特点
Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。
电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。
IGBT并联运行的特点
在 1/2 或 1/3 额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系 数。 • 在以上的区段则具有正温度系数。 • 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。
Li
缓冲电路 V Rs
VD s
有缓冲电路时 O 有 di 抑制电路 时 dt
Cs
t
L VD a) di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 b)
a) 电路 b) 波形
缓冲电路
无缓冲电路时
无缓冲 电路
V开通
很大
电流迅速上升，di/dt
uCE
无
di dt
V关断
抑制电路时
uC
E
du/dt很大，并出现 很高的过电压
复合缓冲电路 耗能式缓冲电路
量回馈给负载或电流
将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上 缓冲电路中储能元件的能
馈能式缓冲电路 （无损吸收电路）
缓冲电路
通常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
Ri VD i di d t抑制电路 uCE iC 无缓冲电路时 无 di 抑制电路 时 dt iC uCE
缓冲电路
di d t 抑制电路
Ri VDi
L
R
S
L C 缓冲电路
S
Li
缓冲电路
VDs V
E
d
E C
S d
缓冲电路
Rs
R
负载
S
Cs
负载
L
VD
b)
c) 另外两种常用缓冲电路 a)RC吸收电路 b)放电阻止型RCD吸收电路
a)
a) 充放电型RCD缓冲电路
2.电力MOSFET和IGBT并联运行的特点
根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之 间的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和 电压驱动型。
1.电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR）
uG
GTO 的开通控制：与普通晶闸 管相似，但对脉冲前沿的幅值 和陡度要求高，且一般需在整 个导通期间施加正门极电流；
关断：施加负门极电流，对其 幅值和陡度的要求更高，关断 后还应在门阴极施加约 5V 的负 偏压以提高抗干扰能力。
电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形 ， 如对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑 制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件， 称为吸收回路。 （1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关 断过电压）
（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）
a) b)
压敏电阻外形同瓷介电容 特性曲线同正反相稳压管 压敏电阻的接法 ： 单相联接 三相星形联接
开通的驱动电压应达一定值： MOSFET10~15V， IGBT15 ~ 20V； 关断时施加一定幅值的负驱动电压 -5 ~ -15V）有利 于减小关断时间和关断损耗； 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小 寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值 的增大而减小。
电力 MOSFET 的一种驱动电 路：电气隔离和晶体管放大 电路两部分
O
t
iG O t
推荐的GTO门极电 压电流波形
2. GTO驱动电路通常包括三部分：
开通电路、关断电路和门极反偏电路
典型GTO驱动电路的解释： 二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路 提供+15V电压。 VD4和电容C4提供-15V电压 V1开通时，输出正强脉冲 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R3和R4提供门极负偏压
+VCC R1 V1 ui R2 R4 R3 + C1 A R5 V2 MOSFET RG V3 -VCC 20V 20V
无输入信号时高速放大器 A 输出负电平 ,V3 导通输出 负驱动电压 当有输入信号时 A 输出正 电平， V2 导通输出正驱动 电压
电力MOSFET的 一种驱动电路
IGBT的驱动
2.5 自关断器件的保护
1.缓冲电路
缓冲电路（吸收电路）作用
抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流di/dt，减 小器件的开关损耗。
缓冲电路
关断缓冲电路（du/dt抑制电路） 用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，
缓冲电路
减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路） 用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗
限制。
小结
3、电力晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GTO）属电流型 自关断器件。GTO的驱动电路中的门极开通电路与SCR触发电路 基本相同，而要求门极关断电路能产生足够大的反向电流来关断 已导通的GTO。GTR驱动电路除满足一般驱动电路的要求外，还 应有抗饱和电路，使GTR工作在准饱和区，提高开关速度，降低 开关损耗。 4、电力场效应晶体管（P-MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）都属电压型自关断器件。由于电压型器件输出阻抗高， 驱动电流小，因此驱动电路相对比较简单。目前，有许多专用芯 片用来驱动自关断器件，如UAA4002、IR2110、EXB840等，这 些芯片集成化程度高、保护功能好、抗干扰能力强，使用日趋广 泛。
三、
电力电子器件的保护
（一）过电压的产生及过电压保护
1.过电压的产生原因
外因过电压:主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起
(2) 雷击过电压：由雷击引起（浪涌过电压）
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。
iC
V开通
有缓冲电路时
Cs通过Rs向V放电，
O
有
t
di 抑制电路时 dt
有缓冲 电路
使ic先上一个台阶，以后因有 di/dt抑制电路的Li ,ic上升 速度减慢。
V关断
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。
b) di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路波形
缓冲电路
（二）过电流的产生及保护
1. 产生：短路、过载时会产生过电流 2. 保护：快速熔断器（1.57IT(AV)≥IFU≥ITM ）
银质 熔丝 石英沙
快速熔断器保护的接法 a)串于桥臂中 b)串于交流侧 c) 串于直流侧
过电流保护
过载 过电流 短路
快速熔断器
短路时的部分区段 的保护 整定在电子电路动作之后实 现保护
过电流保 护措施
直流快 速断路器
过电流继电器
整定在过载时动作
同时采用几种过电流保护措施， 提高可靠性和合理性
变压器 电流互感器快速熔断器 变流器 直流快速断路器 负载 交流断路器 电流检测 过电流 继电器 短路器 动作电流 整定值 开关电路 触发电路
电子保护电路
过电流保护措施及配置位置
2.3 电流型自关断器件的驱动
IGBT的驱动
对驱动电路的要求 5、驱动电路最好与控制电路在电位上隔离 要求： 6、应根据IGBT的电流容量和电压额定值及开关频率的 不同，选择合适的RG阻值
IGBT的驱动-多采用专用的混合集成驱动器
优点：大大简化了IGBT的驱动电路设计，且将保护与驱动集成 于一体。不仅减小了控制电路的体积，而且提高了系统的抗干 扰性和可靠性。
C2 VD3
VD2
R1 R2 V1 V3 GTO L R3 R4
VD1 N2 C C V 1 3 2 N3 VD4 C4
50kHz N 50V 1
3. GTR驱动电路
贝克钳位电路(抗饱和电路)
GTR的一种驱动电路
2.4 电压型自关断器件的驱动
栅源间、栅射间有数千皮法（PF)的电容，为快速建 立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；
ic A 无缓冲电路 B
uCE 迅速上升，负载L上的感应电压是续流二 极管VD开始导通，负载线A从移动到B，iC 下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。
有缓冲电路
D 0 有缓冲电路 C ucE 关断时的负载线
CS的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降， 负载线经过D到达C，负载线ABC经过的是 小电流、小电压区，器件的关断损耗比无缓 冲电路时降低。
过电压的产生
过电压
外因过电压
雷击过电压 操作过电压
内因过电压
换相过电压
关断过电压
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。 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。
2.6 任务实施---绝缘栅双极晶体管驱动电 路设计
采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路
2.7知识拓展---集成驱动芯片介绍
UAA4002的内部结构及工作原理图
UAA4002应用接线图
EXB841的电路原理图
小结
1、晶闸管（SCR）的触发电路应满足与主电路同步、能平稳移相
且有足够移相范围、脉冲前沿陡、有足够的幅值与脉宽、抗干扰 能力强等要求。锯齿波同步移相触发电路主要有同步检测、锯齿
对驱动电路的要求 1、充分陡的脉冲上升和下降沿 开通时使IGBT快速开通，减小开通损耗 关断时使IGBT快速关断，缩短关断时间，减小关断 损耗 2、足够大的驱动功率 导通时，使IGBT功率输出级总处于饱和状态 瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保 证IGBT不退出饱和区。 3、合适的正向驱动电压UCE 一般可取（1±10%）×15V 4、合适的反偏电压 一般为-2～-10V
4 VCC 14 检测电路 定时及 复位电路 接口 电路 门极 关断电路 13 5 uo ui 8 故障指示 6 VEE
1
4.7k 8 +5V 14 M57962L 1 5 4 100F 100F 快恢复 trr≤0.2 s 30V 3.1 +15V
1 检测端
13
6
-10V
M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图
波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。集成化的
锯齿波同步移相触发电路有KC（或KJ）系列。目前，以单片机为 主体的数字化触发电路在大功率整流电路中得到越来越广泛的应
用。
2、晶闸管的过压保护主要使用压敏电阻、阻容吸收等，过流保 护则采用电流检测、快速熔断器等，另外还应对du/dt、di/dt进行
• • •
电力MOSFET并联运行的特点
Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。
电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。
IGBT并联运行的特点
在 1/2 或 1/3 额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系 数。 • 在以上的区段则具有正温度系数。 • 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。
Li
缓冲电路 V Rs
VD s
有缓冲电路时 O 有 di 抑制电路 时 dt
Cs
t
L VD a) di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 b)
a) 电路 b) 波形
缓冲电路
无缓冲电路时
无缓冲 电路
V开通
很大
电流迅速上升，di/dt
uCE
无
di dt
V关断
抑制电路时
uC
E
du/dt很大，并出现 很高的过电压
复合缓冲电路 耗能式缓冲电路
量回馈给负载或电流
将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上 缓冲电路中储能元件的能
馈能式缓冲电路 （无损吸收电路）
缓冲电路
通常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
Ri VD i di d t抑制电路 uCE iC 无缓冲电路时 无 di 抑制电路 时 dt iC uCE
缓冲电路
di d t 抑制电路
Ri VDi
L
R
S
L C 缓冲电路
S
Li
缓冲电路
VDs V
E
d
E C
S d
缓冲电路
Rs
R
负载
S
Cs
负载
L
VD
b)
c) 另外两种常用缓冲电路 a)RC吸收电路 b)放电阻止型RCD吸收电路
a)
a) 充放电型RCD缓冲电路
2.电力MOSFET和IGBT并联运行的特点
根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之 间的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和 电压驱动型。
1.电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR）
uG
GTO 的开通控制：与普通晶闸 管相似，但对脉冲前沿的幅值 和陡度要求高，且一般需在整 个导通期间施加正门极电流；
关断：施加负门极电流，对其 幅值和陡度的要求更高，关断 后还应在门阴极施加约 5V 的负 偏压以提高抗干扰能力。
电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形 ， 如对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑 制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件， 称为吸收回路。 （1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关 断过电压）
（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）
a) b)
压敏电阻外形同瓷介电容 特性曲线同正反相稳压管 压敏电阻的接法 ： 单相联接 三相星形联接
开通的驱动电压应达一定值： MOSFET10~15V， IGBT15 ~ 20V； 关断时施加一定幅值的负驱动电压 -5 ~ -15V）有利 于减小关断时间和关断损耗； 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小 寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值 的增大而减小。
电力 MOSFET 的一种驱动电 路：电气隔离和晶体管放大 电路两部分
O
t
iG O t
推荐的GTO门极电 压电流波形
2. GTO驱动电路通常包括三部分：
开通电路、关断电路和门极反偏电路
典型GTO驱动电路的解释： 二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路 提供+15V电压。 VD4和电容C4提供-15V电压 V1开通时，输出正强脉冲 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R3和R4提供门极负偏压
+VCC R1 V1 ui R2 R4 R3 + C1 A R5 V2 MOSFET RG V3 -VCC 20V 20V
无输入信号时高速放大器 A 输出负电平 ,V3 导通输出 负驱动电压 当有输入信号时 A 输出正 电平， V2 导通输出正驱动 电压
电力MOSFET的 一种驱动电路
IGBT的驱动
2.5 自关断器件的保护
1.缓冲电路
缓冲电路（吸收电路）作用
抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流di/dt，减 小器件的开关损耗。
缓冲电路
关断缓冲电路（du/dt抑制电路） 用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，
缓冲电路
减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路） 用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗
限制。
小结
3、电力晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GTO）属电流型 自关断器件。GTO的驱动电路中的门极开通电路与SCR触发电路 基本相同，而要求门极关断电路能产生足够大的反向电流来关断 已导通的GTO。GTR驱动电路除满足一般驱动电路的要求外，还 应有抗饱和电路，使GTR工作在准饱和区，提高开关速度，降低 开关损耗。 4、电力场效应晶体管（P-MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管 （IGBT）都属电压型自关断器件。由于电压型器件输出阻抗高， 驱动电流小，因此驱动电路相对比较简单。目前，有许多专用芯 片用来驱动自关断器件，如UAA4002、IR2110、EXB840等，这 些芯片集成化程度高、保护功能好、抗干扰能力强，使用日趋广 泛。
三、
电力电子器件的保护
（一）过电压的产生及过电压保护
1.过电压的产生原因
外因过电压:主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起
(2) 雷击过电压：由雷击引起（浪涌过电压）
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。
iC
V开通
有缓冲电路时
Cs通过Rs向V放电，
O
有
t
di 抑制电路时 dt
有缓冲 电路
使ic先上一个台阶，以后因有 di/dt抑制电路的Li ,ic上升 速度减慢。
V关断
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。
b) di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路波形
缓冲电路
（二）过电流的产生及保护
1. 产生：短路、过载时会产生过电流 2. 保护：快速熔断器（1.57IT(AV)≥IFU≥ITM ）
银质 熔丝 石英沙
快速熔断器保护的接法 a)串于桥臂中 b)串于交流侧 c) 串于直流侧
过电流保护
过载 过电流 短路
快速熔断器
短路时的部分区段 的保护 整定在电子电路动作之后实 现保护
过电流保 护措施
直流快 速断路器
过电流继电器
整定在过载时动作
同时采用几种过电流保护措施， 提高可靠性和合理性
变压器 电流互感器快速熔断器 变流器 直流快速断路器 负载 交流断路器 电流检测 过电流 继电器 短路器 动作电流 整定值 开关电路 触发电路
电子保护电路
过电流保护措施及配置位置
2.3 电流型自关断器件的驱动
IGBT的驱动
对驱动电路的要求 5、驱动电路最好与控制电路在电位上隔离 要求： 6、应根据IGBT的电流容量和电压额定值及开关频率的 不同，选择合适的RG阻值
IGBT的驱动-多采用专用的混合集成驱动器
优点：大大简化了IGBT的驱动电路设计，且将保护与驱动集成 于一体。不仅减小了控制电路的体积，而且提高了系统的抗干 扰性和可靠性。
C2 VD3
VD2
R1 R2 V1 V3 GTO L R3 R4
VD1 N2 C C V 1 3 2 N3 VD4 C4
50kHz N 50V 1
3. GTR驱动电路
贝克钳位电路(抗饱和电路)
GTR的一种驱动电路
2.4 电压型自关断器件的驱动
栅源间、栅射间有数千皮法（PF)的电容，为快速建 立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；