第三章电力电子器件的驱动及保护
电力电子技术(第4版)第3讲 电力电子器件
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
⑵ GTO的动态特性
iG
开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间 t s ，使等效晶体退出饱 和 。 下降时间 t f ，
O t
尾部时间 t —残存载流子复
t
iA IA 90%合。
10%IA 0
电力电子器件
③最大可关断阳极电流 I A T O ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益off ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电 流最大值IGM 之比称为电流关断增益。
o ff
I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 电力电子技术
A 强 G K O U AK 光强度 弱
a)
b)
因此目前在高压大功率 的场合。
图1-10 光控晶闸管的电气 图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
1.6
典型全控型器件
1.6.0 引言
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时 代。
第1章：
电力电子器件
1.6.2
术语用法：
电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） 。
耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称 为Power BJT。 应用:
《电力电子技术课程标准
《电力电子技术》课程标准一、课程信息课程名称：电力电子技术课程类型：电气自动化专业核心课课程代码：0722006 授课对象：电气自动化专业学分：3.0 先修课：电路、电子技术学时：50 后续课：交流调速系统制定人：杨立波制定时间：2010年10月10日二、课程性质电力电子技术是一门新兴技术，它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的，已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养本专业人才中占有重要地位。
通过本课程的学习，使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标。
为后续课程打好基础。
三、课程设计1、课程目标设计（1）能力目标总体目标：1、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
2、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
具体目标：1、单相、三相可控整流技术的工程应用2、降压斩波变换技术的工程应用3、升压斩波变换技术的工程应用4、交流调压或交流调功技术的工程应用5、变频技术的工程应用6、有源、无源逆变技术的工程应用（2）知识目标1、熟悉和掌握晶闸管、电力MOSFET、IGBT等电力电子器件的结构、原理、特性和使用方法；2、熟悉和掌握各种基本的整流电路、直流斩波电路、交流—交流电力变换电路和逆变电路的结构、工作原理、波形分析和控制方法。
3、掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理。
4、了解电力电子技术的应用范围和发展动向。
5、掌握基本电力电子装置的实验和调试方法。
2、课程内容设计（1）设计的整体思路：以工作过程和教学进程为设计依据，以相对独立的知识为模块。
（2）模块设计表：四、教材、资料教材：黄家善.电力电子技术.北京：机械工业出版社参考资料：1、王兆安.电力电子技术.北京：机械工业出版社2、陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术.高等教育出版社3、徐以容.电力电子技术基础.东南大学出版社五、需要说明的其他问题1、教学评价与考核：考试2、教学设施要求：多媒体教室、DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置、MCL现代运动控制技术实验台、双踪示波器、滑线变阻器、万用表、交流毫伏表、直流稳压电源、电感元件、MATLAB仿真软件、flash典型波形动态演示图片。
电力电子技术
脉冲前沿由VT4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时 间常数R11C3有关。 电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接 在VT8集电极电路中。
同步电压为锯齿波的触发电路
4) 双窄脉冲形成环节
内双脉冲电路
同步电压为锯齿波的触发电路
图2-7 同步电压为锯齿波的触发电路
同步电压为锯齿波的触发电路
1) 同步环节
同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相 同且相位关系确定。 锯齿波是由开关VT2管来控制的。
VT2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交 流电压决定。 VT2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同 步电压由正变负的过零点。 VT2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时
f 1 T 1 Re C ln 1 1
电路中R1上的脉冲电压宽度取决于电容放电时间常数。 R2是温度补偿电阻，作用是保持振荡频率的稳定。
三、具有同步环节的单结晶体管触发电路
图2-5 晶体管同步触发电路
注意：
每周期中电容C的充放电不 止一次，晶闸管由第一个脉 冲触发导通，后面的脉冲不 起作用。 改变Re的大小， 可改变电容 充电速度，达到调节α角的目 的。 削波的目的：增大移相范围， 使输出的触发脉冲的幅度基本 一样。不削波：UP≈ηUbb， 为正弦半波，移相范围小。
（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
电力电子技术总复习
a) 转移特性 b) 输出特性
1-20
MOSFET的开关速度 可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。
开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上， 是主要电力电子器件中最高的。 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中 需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。 开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
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
图1-37 过电流保护措施及配置位置
同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。 电子电路作为第一保护措施，快熔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，过电流继电器整定在过载时动作。
1-34
断态电压临界上升率du/dt
——电压上升率过大，使结电容充电电流足够大，造成晶闸管误导通 。
通态电流临界上升率di/dt
——电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
4)、晶闸管的型号
Ｐ—普通, Ｋ—快速型，Ｓ—双向型，Ｎ—逆导型，Ｇ—可
KP[电流]─[电压/100][通]态平均电压组别
正反向重复峰值电压 通态平均电流
缓冲电路(Snubber Circuit) ： 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。
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。
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
《电力电子技术》课程教学大纲
电力电子技术课程教学大纲（POWERE1ECTRONIC）总学时数：40其中:实验学时数：0课外学时数：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化专业的基础课程，它的任务是使学生掌握各类电力电子器件的工作原理，特性和主要参数及其各类变流装置发生的电磁过程，基本原理，控制方法，设计计算，实验技能以及它们的技术经济指标。
以便学生毕业后具有进一步掌握各种变流装置的能力，并为后续课“电力拖动与运动控制系统”打好基础。
二、课程教学的基本要求（一）掌握电力电子器件（主要为晶闸管，电力晶体管，可关断晶闸管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管）的工作原理，特性和主要参数（含驱动、缓冲和保护电路）。
（二）熟练掌握单相，三相整流电路和有源逆变电路的基本原理，波形分析和各种负载对电路运行的影响，并能对上述电路进行初步的设计计算（包括触发电路与保护环节）。
（三）3.了解无源逆变、直流斩波、交流调压和交-交变频电路的工作原理，了解并掌握PWM控制技术及PW型逆变电路的基本原理和控制方法。
（四）初步了解软开关技术的基本概念和常用的组合变流电路的主要形式。
（五）初步了解电力电子学科的发展趋势。
（六）掌握基本变流装置的调试实验方法。
三、课程的教学内容、重点和难点绪论基本内容：电力电子技术的基本概念和内涵，电力电子技术发展历程，电力电子技术应用领域，本课程在国民经济中的作用意义，本课程的特点和学习方法。
基本要求：使学生了解电力电子技术的基本概念和内涵，了解本课程的重要性，认识到他所学的内容仅是电力电子学科中的最基本的内容,而本学科还有很多重要的课题有待去学习，去解决。
第一章电力电子器件一、电力电子器件概述基本内容：电力电子器件的概念和特征；电力电子系统的构成；电力电子器件的分类。
基本要求：1、了解电力电子器件的基本概念、主要特征以及主要类型；2、了解应用电力电子器件构成的系统的主要组成部分及各部分功能。
电气工程概论第三章-电力电子
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
二、大功率二极管
大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路 的续流等场合均得到广泛使用。
（一）大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN 结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图33(a)所示。 从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下， 200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b) )，200A以上则采用平板 式(图3-3(c) )。
1. 电压参数
（1）断态重复峰值电压UDRM 取断态不重复峰值电压UDSM的90％定义为断态重复峰值电压UDRM， “重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于 10ms的重复方式施加于元件上。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
（2）反向重复峰值电压URRM
取反向不重复峰值电压URSM的90％为定义为反向重复峰值电压 URRM，这个电压允许重复施加。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
三、晶闸管(SCR)
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管 开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导 地位。 （一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管 芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中 得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开 关特性，即开通特性和关断特性。
（1）开通特性 晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图3-11给出了
电力电子技术课程教学大纲
《电力电子技术》课程教学大纲课程类别：专业基础课程性质：必修英文名称：Power Electronic Technology总学时：64讲授学时：48 实验学时：16学分：3.5先修课程：电路原理、模拟电子技术、数字电子技术适用专业：自动化开课单位：信息工程学院自动化教研室一、课程简介《电力电子技术》是电气工程及其自动化专业、自动化专业本科生的一门专业基础课，是一门理论与应用相结合，实践性很强的课程。
它包括电力电子器件、电力电子变流技术以及以微电子技术和计算机为代表的控制技术三大组成部分。
本课程的目的和任务是使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标，培养学生的分析问题和解决问题的能力，为《运动控制》等后续课程以及从事与电气工程有关的技术工作和科学研究打下一定的基础。
二、教学内容及基本要求0 绪论（2学时）教学内容：0.1电力电子技术的定义0.2电力电子技术的发展历史(自学)0.3电力电子技术的内涵及其相关工业0.4电力电子技术所研究的基本问题0.5电力电子技术的主要内容0.6本课程的学习方法及考核方法教学要求：1.理解电力电子技术的定义，电力电子技术所研究的基本问题。
2.了解电力电子学科的发展历史、电力电子技术的内涵及其相关工业、电力电子技术的主要内容以本课程的学习方法及考核方法。
授课方式：讲授+自学第一章：电力电子器件（10 学时）教学内容：1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——电力二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件的驱动1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用教学要求：1.掌握各种电力电子器件的基本特性、应用场合和使用方法。
2.理解各种全控型器件、半控型器件的工作原理和主要参数选择依据.3.了解典型触发、驱动和缓冲电路的组成、工作原理和特点。
电力电子器件保护
a) a) 伏安特性差异
b)
b) 串联均压措施
图1-41
1.8.2
1. 概述
晶闸管的并联
1) 目的：多个器件并联来承担较大的电流 2) 问题：静态和动态特性参数差异→电流分配不均匀 2. 均流措施 • 选用特性参数尽量一致的器件 • 采用均流电抗器 • 用门极强脉冲触发也有助于动态均流 • 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串 后并的方法联接方法
• 内因过电压 电力电子装置内部器件的开关过程引起 (1) 换相过电压 原因: 线路电感→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→两端 感应出高电压。 (2) 关断过电压 原因: 全控型器件关断时，正向电流迅速降低→线路电感 →器件两端感应出的过电压。
1.7.2
过电流保护
1. 过电流形式—过载和短路 过电流原因举例 电网电压波动过大； 内部管子损坏或触发电路故障，引起两相短路；
整流电路直流侧出现短路、逆变失败引起短路；
环流过大、控制系统故障。
1.7.2
过电流保护
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
2. 常用保护措施
混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SIT H 晶闸管
T TO RC G LT T
功率SIT 极
（
复 合 型
GT R
型
肖特基势垒二极管 型
I 电力二极管 AC
TR
• 双极型：电力二极管、晶闸管、 GTO、GTR和SITH • 复合型：IGBT和MCT
电力电子器件分类“树” 图1-42
本章小结
电力电子技术课程标准
《电力电子技术》课程标准一、课程基本信息（二）专业概况1、培养目标本课程以基于工作过程的课程开发理念为指导，以职业能力培养和职业素养养成为重点，根据技术领域和职业岗位（群）的任职要求，融合维修电工职业资格标准，以变流与变频典型工作过程，以来源于企业的实际案例为载体，以理实一体化的教学实训室为工作与学习场所，对课程内容进行序化，要求学生在对电力电子器件及应用有初步认识的基础上，能组建并调试简单直流调速系统、调光灯，能对开关电源进行检查与简单故障的维修，能使用和维护变频器。
通过任务驱动教学及任务单的完成提高学生积极的行动意识和职业规划能力，培养学生的创新创业能力，为后续课程学习作前期准备，为学生顶岗就业夯实基础，同时使学生具备较强的工作方法能力和社会能力2、岗位面向电力电子技术广泛应用于各个行业。
如工业生产中的交流调速、直流调速、感应加热、焊接、电解、电镀等交通运输业的电力机车、轻轨、地铁、电动汽车等电力行业的高压直流输电、无功补偿、电力滤波等电子装置用的开关电源、UPS电源等;风光发电系统的最大功率跟踪、并网离网逆变器等;航空航天、核反应、家用电器等诸多领域都有电力电子技术的身影。
显而易见，学好“电力电子技术”这门课程，对电气专业学生后续课程的学习和毕业后的工作是多么重要。
3、专业核心能力（1）了解电力电子技术的发展概况、技术动向和新的应用领域。
掌握普通晶闸管、可关断晶闸管、电力晶体管、功率场效应管和绝缘门极晶体管等电力电子器件的工作原理、主要参数、控制电路及选用测试方法。
（2）掌握常用的相控整流电路和有源逆变电路的基本原理、波形画法、主要参数计算、元件选择以及掌握晶闸管电路的过压、过流等保护方法和元件的估算。
第1页共1页（3）掌握常用触发电路工作原理、波形分析,根据要求选择恰当的触发电路和集成触发器件。
（4）掌握由电力电子器件组成的交流调压电路、逆变电路、变频电路、斩波电路等基本原理。
（5）具有一定的电力电子电路实验和调试的能力。
三种IGBT驱动电路和保护方法详解
三种IGBT驱动电路和保护方法详解IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种功率开关器件，具有高压能力和快速开关速度，广泛应用于各类电力电子设备中。
为了保证IGBT的正常工作和延长寿命，需要合理设计驱动电路和采取保护措施。
以下将详细介绍三种常见的IGBT驱动电路和保护方法。
1.全桥驱动电路：全桥驱动电路使用四个驱动器来控制IGBT的开关动作，通过驱动信号的控制确保IGBT的正确触发。
全桥驱动电路的优点是开关速度快、电流能力高、噪音抵抗能力强。
驱动信号的产生可以通过模拟电路或数字电路实现，后者具有更高的可靠性和精准性。
在全桥驱动电路中，还会配备隔离变压器，用于提供与主电源隔离的驱动信号。
保护方法：（1）过温保护：通过测量IGBT芯片的温度，一旦温度超过设定值，即切断IGBT的驱动信号，防止过热损坏。
（2）过流保护：通过监测IGBT输入电流，当电流超过额定值时，切断IGBT的驱动信号，避免损坏。
（3）过压保护：检测IGBT的输入电压，当电压超过设定值时，中断驱动信号，以防止损坏。
（4）过电压保护：通过监测IGBT的输出电压，当电压异常升高时，关闭IGBT的驱动信号，避免对后续电路造成损害。
（5）失控保护：当IGBT因为故障或其他原因丧失了晶体管功能时，立即中断其驱动信号，以保护设备安全。
2.半桥驱动电路：半桥驱动电路仅使用两个驱动器来控制一个IGBT的开关动作。
相比于全桥驱动电路，半桥驱动电路简化了驱动电路的设计，成本更低。
但由于只有单个驱动器来控制IGBT，因此其驱动能力和噪音抵抗能力相对较弱。
保护方法：半桥驱动电路的保护方法与全桥驱动电路类似，包括过温保护、过流保护、过压保护、过电压保护和失控保护等。
可以将这些保护方法集成在半桥驱动电路中，一旦触发保护条件，即切断驱动信号，以保护IGBT和其他电路设备。
3.隔离式驱动电路：隔离式驱动电路通过隔离变压器将主电源与IGBT的驱动信号分隔开，能够提高系统的稳定性和安全性。
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46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
电力电子器件
15
1.2.1
样。
PN结与电力二极管的工作原理 结与电力二极管的工作原理
基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一 以半导体PN结为基础。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。
A
K
A I
P J b)
N
K
K
A a)
c)
图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
2
第1章 电力电子器件
电子技术的基础
引言
电子器件： 电子器件：晶体管和集成电路 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容：
简要概述电力电子器件的概念 特点 分类 概念、特点 分类等 概念 特点和分类 问题 介绍各种常用电力电子器件的工作原理 基本 工作原理、基本 工作原理 特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些 特性、主要参数 问题
10
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制电路信号所控制的程度， 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度 ， 分为以下三类： 分为以下三类：
1) 半控型器件 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 2) 全控型器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断， 电力场效应晶体管（电力MOSFET） 又称自关断器件。
7
通态损耗： 通态损耗： 导通时器件上有一定的通态压降
关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗 关断损耗：
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
电力电子系统：由控制电路 驱动电路和以 电力电子系统 控制电路、驱动电路 控制电路 驱动电路 电力电子器件为核心的主电路 主电路组成 主电路
电力电子器件驱动与保护
3 缓冲电路
b)
t
u
CE
i
C
O
d
i
d
t
抑制电路
无
时
d
i
d
t
抑制电路
有
时
有缓冲电路时
无缓冲电路时
u
CE
i
C
缓冲电路作用分析 无缓冲电路： 有缓冲电路：
图1-38 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形
分类
1 电力电子器件驱动电路概述
2 晶闸管的触发电路
作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 晶闸管触发电路应满足下列要求： 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
2) 电压驱动型器件的驱动电路
3 典型全控型器件的驱动电路
3 典型全控型器件的驱动电路
(1) 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
图1-32 电力MOSFET的一种驱动电路
专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。
01
02
3 典型全控型器件的驱动电路
(1) GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。
图1-28 推荐的GTO门极电
电力电子变流技术电子教案
电力电子变流技术电子教案第一章：电力电子变流技术概述1.1 电力电子变流技术的定义和发展历程1.2 电力电子变流技术的重要性1.3 电力电子变流技术的应用领域1.4 本章小结第二章：电力电子器件2.1 电力电子器件的分类和工作原理2.2 常用电力电子器件的特点和应用2.3 电力电子器件的驱动和保护电路2.4 本章小结第三章：整流器3.1 整流器的基本原理和分类3.2 常用整流器的电路结构和性能比较3.3 整流器的设计和应用实例3.4 本章小结第四章：逆变器4.1 逆变器的基本原理和分类4.2 常用逆变器的电路结构和性能比较4.3 逆变器的设计和应用实例4.4 本章小结第五章：电力电子变流技术的应用5.1 电力电子变流技术在电力系统中的应用5.2 电力电子变流技术在交通运输中的应用5.3 电力电子变流技术在工业控制中的应用5.4 电力电子变流技术在新能源领域的应用5.5 本章小结第六章：开关电源6.1 开关电源的基本原理和分类6.2 常用开关电源的电路结构和性能比较6.3 开关电源的设计和应用实例6.4 本章小结第七章：变频器7.1 变频器的基本原理和分类7.2 常用变频器的电路结构和性能比较7.3 变频器的设计和应用实例7.4 本章小结第八章：电力电子变流技术的控制策略8.1 电力电子变流技术控制策略的基本原理8.2 常用控制策略的分析和比较8.3 控制策略在电力电子变流技术中的应用实例8.4 本章小结第九章：电力电子变流技术的故障与保护9.1 电力电子变流技术常见故障分析9.2 电力电子变流技术的保护措施9.3 故障与保护在电力电子变流技术中的应用实例9.4 本章小结第十章：电力电子变流技术的未来发展趋势10.1 电力电子变流技术的发展趋势10.2 电力电子变流技术面临的挑战10.3 未来电力电子变流技术的应用前景10.4 本章小结重点和难点解析一、电力电子器件难点解析：电力电子器件的工作原理较为复杂，需要深入理解其导通和截止机制；不同类型的电力电子器件具有不同的特点和应用场景，需要进行细致的区分和掌握。
电力电子器件的驱动与保护45页PPT
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
【2019年整理】电力电子器件5-驱动和保护
驱动电路的一般要求
改善功率开关器件静态性能。 驱动电路 应保证驱动功率开关器件完全的导通和关 断。导通时，通态压降小；关断时漏电流 小。 改善功率开关器件动态性能。 对于同样 的功率开关器件，采用不同的驱动波形将 得到不同的动静态开关特性。因此，驱动 电路的设计应该根据功率开关器件的开关 性能，考虑改善器件的开关特性和减小器 件的开关损耗。
充放电型RCD缓冲电路（图1-38），适用 于中等容量的场合 图1-40示出另两种， RC缓冲电路主要用于小容量器件， 放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量 器件 图1-40 另外两种常用的缓冲电路 a) RC吸收电路 b) 放电阻止型RCD 吸收电路
缓冲电路中的元件选取及其他 注意事项
Cs和Rs的取值可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，且选用内部电感小的 吸收电容
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 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 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成 电路有三菱公司的M57918L，其输入信号 电流幅值为 16mA ，输出最大脉冲电流为 +2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。
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 电力电子装置可视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。
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理想的GTR基极驱动电流波形
GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路 – 二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即 一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入V， 会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电 位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流 入集电极，维持Ubc≈0。 – C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现 驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通
3.2 电力电子器件的保护
电力电子器件在实际应用时，由于各种原因，总可能 会发生过电压、过电流甚至短路等现象，若无必要的保护
措施，势必会损坏电力电子器件，或者损坏电路。同时，
电力电子元器件在工作过程中，要消耗大量的功率，这部 分耗散功率转变成热量会使元器件本身的温度升高，若温
度过高且不及时处理，同样会造成元器件的损坏。
（1）静态均压（正反向阻断状态下的均压）
（2）动态均压（开通过程与关断过程的均压）
2．晶闸管的并联使用
当要求晶闸管应有的电流值大于单个晶闸管的额定电流时，就需要将同型号的 晶闸管并联使用。器件并联时由于正向导通的伏安特性不可能完全一致，在相同管 压降时，使导通的晶闸管电流分配不均，如图1-84a) 所示。因此要采取均流措施。
+VCC R1 V1 ui R2 R4 R3 + C1 -VCC
图电力MOSFET的 一种驱动电路
A
R5
V2 MOSFET RG V3 20V 20V
IGBT的驱动: 多采用专用的混合集成驱动器
常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司 的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851） 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关 断IGBT，并向外部电路给出故障信号 M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为 -10V。
由于电子器件的电流过载能力比一般电气设备低得多，因此必须对晶闸管设置 过电流保护。可以根据实际情况选择其中一处或数种作晶闸管装置的过流保护。 ①串接交流进线电抗或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗能有效地限制短路 电流，保护晶闸管，但负载电流大时存在较大的交流压降。
图1-90 快速熔断器保护 a）桥臂晶闸管串接快熔 b）交流侧快熔
应限制在通态电流临界上升率以内，否则将导致门极附近过热，损坏晶 闸管。
增大阻容保护中电阻值可以减小 di / dt ，但会降低阻容保护对晶闸
管过电压保护的效果。在晶闸管回路串联电感是限制 di / dt 的有效方 法．
晶闸管的保护是关系到晶闸管装臵能否安全可靠地运行的问题，但
对于保护装臵的定量计算还没有成熟的和统一的计算方法，有待于进一 步研究和实践。
的晶闸管，在其门极和阴极之间接一电容，使 du / dt 产生的充电电流不流
过结电容，而通过电容C流到阴极，也能防止因 du / dt 过大而使晶闸管误 导通。
四、电流上升率 di / dt及其限制
晶闸管在导通瞬间，电流集中在门极附近，随着时间的推移导通区
才逐渐扩大，直到整个结面导通为止。在此过程中，电流上升率 di / dt
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 M57962 L 13 6 100F 100F -10V 1 5 4 快恢复 trr≤0.2 s 30V 3.1 +15V
1 检测端
图1-33 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图
c）直流侧快熔
三、电压上升率 du / dt 及其限制
晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升率
du / dt 较大时，结电容充电电流起到触发电流的作用，使晶闸管误导通，
造成装臵的失控。因此，必须采取措施抑制 du / dt 。 晶闸管的RC保护电路可以起到抑制 du / dt 的作用。在每个桥臂串入桥 臂电抗器也是防止过大造成晶闸管误导通的有效办法。此外，对于小容量
典型的直接耦合式GTO驱动电路：
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
C2 VD3
为三相的接法，三相时用三组对接成Y形或用六组结成D形。
图1-86 硒堆保护几种接法 a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相△连接
采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量；但存在体积大， 反向特点不陡，长期放置不用会发生“储存老化”，即正向电阻增大， 反向电阻降低而失效的缺点，所以使用前必须先加50%的额定电压 10min，再加额定电压2h，才能恢复性能.
金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电
阻元件，正常电压时呈高阻态，漏电流仅是微安级，故损耗小；过电 压时引起电子雪崩呈低阻使电流迅速增大吸收过电压。加之它还有体
积小、保护接线方式如图1-87所示。
图1-87 压敏电阻保护几种接法 a）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相△连接
2．直流侧过电压及其保护
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 – 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 专为驱动电力MOSFET而 设计的混合集成电路有三 菱公司的M57918L，其输 入信号电流幅值为16mA， 输出最大脉冲电流为+2A 和-3A，输出驱动电压 +15V和-10V。
电路，如图1-89所示。利用电容的充电作用，可降低晶闸管反向电
流减小的速度，吸收关断过电压，把它限制在允许范围内。实用时 为了防止电路振荡和限制管子开通损耗和电流上升率，阻容吸收电
路要尽量靠近晶闸管，引线要短最好采用无感电阻。பைடு நூலகம்
图1-89 晶闸管两端并联阻容吸收电路
二、晶闸管的过电流保护
凡流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，都叫过电流。产生电流的原 因有：直流侧短路；生产机械过载；可逆系统中产生环流或逆变失败；直流电动机 环火等。
第三章 全控型器件的驱动 及其共性问题
3.1 典型全控型电力电子器件的驱动 3.2 电力电子器件的保护 3.3 电力电子器件的缓冲电路 3.4 电力电子器件的串并联使用
3.1 典型全控型电力电子器件 的驱动
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
因此，在电力电子电路中，为了避免器件及线路出现 损坏，除了电力电子元件参数要选择合适、驱动电路设计 良好外，还需要进行必要的散热、设臵必要的保护环节和 缓冲处理。
一、过电压保护
由于晶闸管的击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因而其过载 能力较差，很短时间的过电压或过电流就可能导致其损坏。虽然选择晶闸 管时要合理地选择元件参数并留有安全裕量，但仍需针对晶闸管的工作条 件采取适当的保护措施，确保晶闸管装臵正常运行。
驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为 加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通 或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断 控制信号
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 光隔离一般采用光耦合器，由发光二极管和光敏 晶体管组成 磁隔离的元件通常是脉冲变压器
凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压的电压都算过电压。
过电压产生的原因主要是操作过电压、浪涌过电压。 发生过电压时，过电压保护应使晶闸管两端电压受到抑制，免遭损害。
对于操作过电压，应使之限制在额定电压以下。对于浪涌电压，应限制在
断态和反向不重复峰值电压以下。 按过电压保护的部位来分，有交流侧保护、直流侧保护和元件保护 等几部分，如图8.1所示。
VD2
R1 R2 GTO V1 L R3 R4
VD1 50kHz N N2 C1 C3 V2 50V 1 V3 N3 C4 VD4
图典型的直接耦合 式GTO驱动电路
GTR 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之 不进入放大区和深饱和区 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关 断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施 加一定幅值（6V左右）的负偏压
直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，如图1-88所示，对 于容量较小装置，可采用阻容保护抑制过电压；如果容量较大，采用 阻容保护，将影响系统的快速性，此时应选择硒堆或压敏电阻保护。
图1-88 晶闸管直流侧过电压保护
3．晶闸管关断过电压及其保护
关断过电压保护最常用的方法是，在晶闸管两端并联RC吸收
uG
1. 电流驱动型器件的驱动电路
GTO – 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 – 使GTO关断需施加负门极电流，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
O
t
iG O t
图 推荐的GTO门 极电压电流波形
ID R IC R1 Uout
E R R1
E R R1
E
Uin
a)
b)
图 光耦合器的类型及接法