电力电子器件

4.2 电力电子器件器件的保护
4.2.1 过电压的产生及过电压保护
4.2.2 过电流的产生及过电流保护
4.2.3 缓冲电路（Snubber Circuit）
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4.2.1 过电压的产生及过电压保护
电力电子装置可能的过电压—外因过电压和内因过电压
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 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
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4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门
极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接 耦合式两种类型
直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄
生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，
但其功耗大，效率较低
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
R2 R4 C1
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
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。
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
IGBT的驱动 多采用专用的混合集成驱动器
图1-29 典型的直接耦合式 GTO驱动电路
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
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 i
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
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
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
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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
图1-33 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
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 ui
器 A 输出负电平 ,V3 导通 输出负驱动电压
+VCC R1 V1 R3 + A R5 V2 MOSFET RG 20V V3 20V
当有输入信号时 A 输出 -VCC 正电平， V2 导通输出正 驱动电压 图1-32 电力MOSFET的一种驱动电路
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
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。
晶闸管的触发电路
R4
V1、V2构成脉冲放大环节 脉冲变压器TM和附属电 路构成脉冲输出环节 V1、V2导通时，通过脉 冲变压器向晶闸管的门极 和阴极之间输出触发脉冲 VD1和R3是为了V1、V2由 导通变为截止时脉冲变压 器TM释放其储存的能量 而设
VD1
R1
R3 V1 R2 V2
图1-27 常见的晶闸管触发电路
4.2.1 过电压的产生及过电压保护
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 外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方 式见图1-35
RC 过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧， 电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧
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4.2.1 过电压的产生及过电压保护
过电压保护措施
T S C RV D RC1 RC2 RC3 RC4 RCD U F SD C LB M
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图1-34
过电压抑制措施及配置位置
F避雷器 D变压器静电屏蔽层 图1-34 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
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 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
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
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。
4.2.2 过电流的产生及过电流保护
4.1.2
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 广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制 电路 晶闸管触发电路应满足下列要求：
触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流的概 念）
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 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离
VD3
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
uG O t
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
iG O t
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 图1-28 推荐的GTO门极电压电流波形 施加约 5V 的负偏压以提高抗 干扰能力
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4.1.2
晶闸管的触发电路
IM
I t
t1 t2 t3 t4
图1-26 理想的晶闸管触发脉冲电流波形
t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s） t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值 （3IGT~5IGT） t1~t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）
4.1.2
+E1 +E2 TM VD2
C2 VD3
VD2
R1 R2 V1 GTO L R3 R4
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
VD1 50kHz N N2 C1 C3 V2 50V 1 V3 N3 C VD4 4
• 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
电力电子装置
R1 过电压抑制电路 C1
C2
R2
保护电路参数计算可参考相关工程手册
图1-36 反向阻断式过电压抑制用RC电路 图1-36
其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折 二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压
4.2.2 过电流的产生及过电流保护
过电流——过载和短路两种情况 常用措施（图1-37）
4.2.1 过电压的产生及过电压保护
Ca Ra Ca Ra
à ø² Í
Ca Ra
Ca Ra
à §² ·
-
Rdc a)
Cdc
à ÷² ±Á Ö
+
-
Rdc b)
Cdc
•图1-35 RC过电压 抑制电路联结方式
+
a) 单相 b) 三相
¼ 1-35 Í
4.2.1 过电压的产生及过电压保护
大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路
驱动电路的基本任务：
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4.1.1 电力电子器件驱动电路概述
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
磁隔离的元件通常是脉冲变压器
ID R Uin IC R1 Uout E R R1 E R R1 E
a)
b)
c)
图1-25 光耦合器的类型及接法
4.2.2 过电流的产生及过电流保护
快速熔断器
电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施 选择快熔时应考虑： (1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定 (2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定 (3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值
(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性
第五讲 电力电子器件（四）
4.1 4.2 4.3 电力电子器件驱动电路 电力电子器件器件的保护 电力电子器件器件的串联和并联使用
4.1 电力电子器件驱动电路
4.1.1
4.1.2 4.1.3
电力电子器件驱动电路概述
晶闸管的触发电路 典型全控型器件的驱动电路
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4.1.1 电力电子器件驱动电路概述
驱动电路——主电路与控制电路之间的接口
a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型
4.1.1 电力电子器件驱动电路概述
电流驱动型和电压驱动型
具体形式可为分立元件的，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
b
O
t
图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形
4.1.3 典型全控型器件的驱动电路
GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电 路两部分
+15V A V1 R2 R3 C1 V4 VD1 V3 V5 C2 R5 V2 V6 VD4 VS 0V VD2 VD3 V R4 +10V
R1
图1-31 GTR的一种驱动电路
ç × µ Ó ± £ » ¤µ ç  ·
图1-37 过电流保护措施及配置位置
¼ 1-37 Í
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4.2.2 过电流的产生及过电流保护
快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器 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