二功率半导体器件的驱动与保护

第二章功率半导体器件的驱动与保护

2.1 晶闸管的驱动与保护

2.1.1晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是将控制信号U k转变成延迟角α<或β）信号，向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。因此，触发电路与主电路一样是晶闸管装置中的重要部分。两者之间既相对独立，又相互依存。正确设计的触发电路可以充分发挥晶闸管装置的潜力，保证运行的安全可靠。触发电路在晶闸管变流装置中的地位如图2-

1所示，可把触发电路和主电路看成一个功率放大器，以小功率的输入信号直接控制大功率的输出。

图2-1 触发电路在晶闸管装置中的地位

1．触发脉冲要求

晶闸管装置种类很多，工作方式也不同，故对触发电路的要求也不同。下面介绍对触发电路的基本要求。

1）一般触发信号采用脉冲形式。

2）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。

3）为使并联晶闸管元件能同时导通，则触发电路应能产生强触发脉冲。

4>

触发脉冲的同步及移相范围。为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角α下触发导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。同时，为了使电路在给定的范围内工作，应保证触发脉冲能在相应范围内进行移相。

5>

隔离输出方式及抗干扰能力。触发电路通常采用单独的低压电源供电，因此应采用某种方法将其与主电路电源隔离。

3．锯齿波同步移相触发器

常用的触发电路有正弦波同步触发电路和锯齿波同步触发电路，因为锯齿波同步触发电路具有较好的抗电路干扰、抗电网波动的性能及有较宽的调节范围，因此得到了广泛的应用。该电路由同步检测环节、锯齿波形成环节、同步移相控制环节及脉冲形成与放大环节等组成。图2-9为锯齿波同步移相触发电路图。图2-

10为锯齿波移相触发电路各点电压波形。

图2-9 锯齿波同步移相触发电路

图2-10 锯齿波移相触发电路电压波形

4．集成触发器

随着电力电子技术及微电子技术的发展，集成化晶体管触发电路已得到广泛的应用。集成化触发器具有体积小、功耗低、性能可靠、使用方便等优点。下面介绍国内常用的KC <或KJ）系列单片移相触发电路。KC04集成触发器电路的电原理如图2-

14所示，其中虚线框内为集成电路部分，框外为外接电容、电阻等元件，该电路由同步检测、锯齿波形成、移

相、脉冲形成、脉冲分选及功放等环节组成。

图2-14 KC04集成触发器电原理图

5．数字触发器

为了提高触发脉冲的对称度，对较大型的晶闸管变流装置采用了数字式触发电路。目前使用的数字式触发电路大多为由计算机<通常为单片机等）构成的数字触发器。

图2-15为常见的MCS—

96系列单片机构成的数字触发器的原理框图。该数字触发器由脉冲同步、脉冲移相、脉冲形成与输出等几个部分构成。

图2-15 单片机数字触发器

6．触发电路与主电路的同步

在三相晶闸管电路中，选择触发电路的同步信号是一个很重要的问题。只有触发脉冲在晶闸管阳极电压为正<相对阴极而言）时产生，晶闸管才能被触发导通。在调试电力电子装置时，有时会遇到这种现象：晶闸管主电路线路正确，元件完好；而触发电路线路也正确，各输出脉冲正常，能符合移相要求；但主电路与触发电路合成调试时，却发现电路工作不正常，直流输出电压u d波形不规则、不稳定，移相调节不起作用。这种不正常现象主要是主电路与触发电路没实现同步引起的，即送到主电路各晶闸管的触发脉冲与其阳极电压之间相位没有正确对应。因此必须根据被触发晶闸管的阳极电压相位正确供给各触发电路特定相位的同步信号电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发信号的时刻输出脉冲。这种正确选择同步电压相位及得到不同相位同步电压的方法，称为触发电路的同步<或定相）。每个触发电路的同步电压u T与被触发晶闸管阳极电压的相互关系取决于主电路的不同方式，触发电路的类型，负载性质及不同的移相要求。

2.1.2晶闸管的串、并联与保护

1．晶闸管的串联

当单个晶闸管的额定电压小于实际线路要求时，可以用两个以上同型号元件相串联来满足，如图2-19所示。

a>元件承受的反向电压

b>串联均压电路

图2-19 晶闸管的串联

因为元件特性的分散性，当两个同型号晶闸管串联后，在正、反向阻断时虽流过相同的漏

电流，但各元件所承受的电压却是不相等的。图2-19a>表示了两反向阻断特性不同的晶闸管流过同一漏电流I e时，元件上承受的电压相差甚远的情况，承受高电压的元件有可能因超过额定电压而损坏。为了使各元件上的电压分配均匀，除选用特性比较一致的元件进行串联以外，应采取均压措施。

2．晶闸管的并联

单个晶闸管的额定电流不能满足要求时，可以用两个以上同型号元件并联。因为并联各晶闸管在导通状态下的伏安特性不可能完全一致，相同管压降下各元件负担的电流不相同，可能相差很大，如图2-

20a>所示。为了均衡并联晶闸管元件的电流，除选用正向特性一致的元件外，应采用均流措施。

a> 并联时的电流分配 b> 串电感均流

图2-20 晶闸管的并联

3．过压保护

晶闸管元件有很多的优点，但因为击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因此承受过电压过电流能力差，短时间的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为了使晶闸管元件能正常工作而不损坏，除合理选择元件外，还必须针对过电压、过电流发生的原因采取适当的保护措施。

凡超过晶闸管正常工作时所承受的最大峰值电压的电压均为过电压。过电压根据产生的原因可分为二大类：①操作过电压：由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁过程引起的过电压；②浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置的过电压，其幅度可能比操作过电压还高。

对过电压进行保护的原则是：使操作过电压限制在晶闸管额定电压U R以下，使浪涌过电压限制在晶闸管的断态和反向不重复峰值电压U DSM和U RSM以下。一个晶闸管变流装置或系统应采取过电压保护措施的部位可分为交流侧，直流侧，整流主电路等几部分，如图2-21所示。