第三章电力电子器件的驱动及保护

2、缓冲电路的基本结构
Ls
Rs
VDs
Rs
VDs
Cs
Cs
(a) 串并联RLCD 缓冲电路
(b) 并联RCD 缓冲电路
3.4 电力电子器件的串并联使用
1．晶闸管的串联使用
当要求晶闸管应有的电压值大于单个晶闸管的额定电压时，可以用两个以上 同型号的晶闸管相串联。由于器件特性的分散性，同型号管子串联后正反向阻断 时流过反向漏电流虽然一样，但分配的反向电压不一样，图1-83a)所示，因此晶 闸管和其它电力电子器件串联时必须考虑均压措施。
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1-8ຫໍສະໝຸດ Baidu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
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
+15V
+10V V1 R2 R3 C1 V4 VD1 V3 V5 C2 R5 V2 V6 VD4 VS 0V VD2 VD3 V R4
驱动GTR的集成
A
驱动电路： THOMSON公司的 UAA4002和三菱公 司的M57215BL
R1
图
GTR的一种驱动电路
2. 电压驱动型器件的驱动电路
– 栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速 建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小 – 使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使 IGBT开通的驱动电压一般15 ~ 20V – 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 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
ib
O
t
图
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
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。
+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。
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。
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。
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
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
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。
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
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。
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
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。
1、交流侧过电压及其保护 ① RC阻容吸收电路
交流侧阻容吸收电路的几种接法如图1-85所示。
图1-85 交流侧阻容吸收电路的几种接法 a）、e）单相连接 b）三相Y型连接 c）三相△连接
d）三相整流连接
② 非线性电阻保护
硒堆由成组串联的硒整流片构成，如图1-86所示为硒堆保护几种接 法。(a)图为单相时的接法。单相时用两组对接后再与电源并联；(b)、(c)
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。
（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。
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
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
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
c)
a) 普通型10us b) 高速型1.5us c) 高传输比型
电流驱动型和电压驱动型 具体形式可为分立元件式的，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
3.3 电力电子器件的缓冲电路
1、缓冲电路的作用与基本类型 缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，是通过限 压、限流、抑制 du / dt和 di / dt 等方法，把开关损耗从 器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗在缓冲 电路的电阻上，或者由缓冲电路设法将其反馈到电 源中去。此缓冲电路可分为两大类：前一类是能耗 型缓冲电路，后一类是反馈型缓冲电路。能耗型缓 冲电路简单，在电力电子器件的容量不大，工作频 率也不太高的场合下，这种电路应用很广泛。
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
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
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
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.