五 電力電子器件

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1、會計學1五五 電力電子器件電力電子器件4.4 4.4 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)驅(qū)動動電電路路還還要要提提供供控控制制電電路路與與主主電電路路之之間間的的電電電電氣氣氣氣隔隔隔隔離離離離環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)，一一般采用光隔離或磁隔離般采用光隔離或磁隔離 光隔離一般采用光耦合器光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖圖1-25 1-25 光耦合器的類型及接法光耦合器的類型及接法a)a)普通型普通型 b)b)高速型高速型 c)c)高傳輸比型高傳輸比型第1頁/共44頁第2頁/共44頁第3頁/共44頁

2、4.4 4.4 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述n n雙列直插式集成雙列直插式集成電路及將光耦隔電路及將光耦隔離電路也集成在離電路也集成在內(nèi)的混合集成電內(nèi)的混合集成電路；路；n n為達到參數(shù)最佳為達到參數(shù)最佳配合，首選所用配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)門開發(fā)的集成驅(qū)動電路。動電路。驅(qū)動電路可以采用分立元件來構(gòu)成，目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路：第4頁/共44頁4.4 4.4 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路作作作作用用用用：產(chǎn)產(chǎn)生生符符合合要要求求的的門門極極觸觸發(fā)發(fā)脈脈

3、沖沖，保保證證晶晶閘閘管管在在需需要要的的時時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通刻由阻斷轉(zhuǎn)為導通廣義上講，還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路廣義上講，還包括對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖的的寬寬寬寬度度度度應應保保證證晶晶閘閘管管可可靠靠導導通通（結(jié)結(jié)合合擎擎擎擎住住住住電電電電流流流流的的概念）概念）觸發(fā)脈沖應有足夠的觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度幅度幅度幅度 不不超超過過門門極極電電壓壓、電電流流和和功功率率定定額額，且且在在可可可可靠靠靠靠觸觸觸觸發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)域域之

4、之內(nèi)內(nèi) 應應有有良良好好的的抗抗抗抗干干干干擾擾擾擾性性能能、溫溫溫溫度度度度穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)定定定定性性性性及及與與主主電電路路的的電電電電氣氣氣氣隔隔隔隔離離離離第5頁/共44頁4.4 4.4 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路n n晶閘管觸發(fā)電路的原理解釋：晶閘管觸發(fā)電路的原理解釋：n n V V1 1、V V2 2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)（構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)（V V1 1和和V V2 2接成達林頓結(jié)構(gòu)）；接成達林頓結(jié)構(gòu)）；n n脈沖變壓器脈沖變壓器TMTM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)，這里利用了脈沖變壓器原邊的和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)，這里利用了脈沖變壓器原邊的電壓等于電感

5、與電流變化率的乘積的原理在副邊產(chǎn)生了觸發(fā)脈沖開始的大電電壓等于電感與電流變化率的乘積的原理在副邊產(chǎn)生了觸發(fā)脈沖開始的大電流；流；n n V V1 1、V V2 2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的GG和和K K之間輸出觸發(fā)脈沖；之間輸出觸發(fā)脈沖；n nVDVD1 1和和R R3 3是為了是為了V V1 1、V V2 2由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TMTM釋放其儲存的能量而釋放其儲存的能量而設(shè)計。在以后的電路中會多次出現(xiàn)這種電路的使用。設(shè)計。在以后的電路中會多次出現(xiàn)這種電路的使用。圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間

6、（1s）t1t3強脈沖寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）圖1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路第6頁/共44頁4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路1.1.電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路GTOGTOGTO的開開通通控控制制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個導通期間施加正門極電流使GTO關(guān)關(guān)斷斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力圖圖1-281-28推薦的推薦的GT

7、OGTO門極門極電壓電流波形電壓電流波形5V的負偏壓第7頁/共44頁4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路 GTOGTO驅(qū)驅(qū)動動電電路路通通常常包包括括開開開開通通通通驅(qū)驅(qū)驅(qū)驅(qū)動動動動電電電電路路路路、關(guān)關(guān)關(guān)關(guān)斷斷斷斷驅(qū)驅(qū)驅(qū)驅(qū)動動動動電電電電路路路路和和門門門門極極極極反反反反偏偏偏偏電電電電路路路路三三部部分分，可可分分為為脈脈脈脈沖沖沖沖變變變變壓壓壓壓器器器器耦合式耦合式耦合式耦合式和和直接耦合式直接耦合式直接耦合式直接耦合式兩種類型兩種類型 直直接接耦耦合合式式驅(qū)驅(qū)動動電電路路可可避避免免電電路路內(nèi)內(nèi)部部的的相相

8、互互干干擾擾和和寄寄生生振振蕩蕩，可可得得到到較較陡陡的的脈脈沖沖前前沿沿，因因此此目目前前應用較廣，但其功耗大，效率較低應用較廣，但其功耗大，效率較低第8頁/共44頁4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路a)直接耦合式驅(qū)動電路b)脈沖變壓器耦合式驅(qū)動電路a)為一種直接耦合式門極驅(qū)動電路。電路采用半橋結(jié)構(gòu)，通過C1和C2分壓，為GTO的陰極提供零電位。控制信號uon使得V1導通，為GTO提供觸發(fā)電流；而關(guān)斷信號uoff使得V2導通，C2的電壓放電產(chǎn)生關(guān)斷負電流使GTO關(guān)斷。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，有較強的關(guān)斷能力。b)為最簡單

9、的脈沖變壓器耦合門極驅(qū)動電路，當驅(qū)動晶體管V導通時，關(guān)斷GTO。V關(guān)斷時，利用變壓器中貯能使GTO開通。這個電路最大的特點是簡單且效率高。但由于開通僅依靠變壓器在關(guān)斷過程中存貯的能量對大容量GTO不太適合。第9頁/共44頁4.5 4.5 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路 直接耦合式直接耦合式直接耦合式直接耦合式GTOGTO驅(qū)動電路驅(qū)動電路驅(qū)動電路驅(qū)動電路：n n二二極極管管VDVD1 1和和電電容容C C1 1提提供供+5V+5V電電壓壓n nVDVD2 2、VDVD3 3、C C2 2、C C3 3構(gòu)構(gòu)成成倍倍壓壓整整流電路提供

10、流電路提供+15V+15V電壓電壓n nVDVD4 4和電容和電容C C4 4提供提供-15V-15V電壓電壓n nV V1 1開通時，輸出正強脈沖開通時，輸出正強脈沖n nV V2 2開通時輸出正脈沖平頂部分開通時輸出正脈沖平頂部分n nV V2 2關(guān)斷而關(guān)斷而V V3 3開通時輸出負脈沖開通時輸出負脈沖n nV V3 3關(guān)關(guān)斷斷后后R R3 3和和R R4 4提提供供門門極極負負偏偏壓壓圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路BAoC第10頁/共44頁5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路GTRGTR 開開通通驅(qū)驅(qū)動

11、動電電流流應應使使GTRGTR處處于于準準飽飽和和導導通通狀狀態(tài)態(tài)，使使之之不不進進入入放放大大區(qū)和深飽和區(qū)區(qū)和深飽和區(qū) 關(guān)關(guān)斷斷GTRGTR時時，施施加加一一定定的的負負基基極極電電流流有有利利于于減減小小關(guān)關(guān)斷斷時時間間和和關(guān)關(guān)斷斷損損耗耗，關(guān)關(guān)斷斷后后同同樣樣應應在在基基射射極極之之間間施施加加一一定定幅幅值值（6V6V左左右右）的負偏壓的負偏壓圖圖1-301-30理想的理想的GTRGTR基極驅(qū)動電流波形基極驅(qū)動電流波形第11頁/共44頁5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路n nGTRGTR的一種驅(qū)動電路，的一種

12、驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分放大電路兩部分n n當當V V1 1導通時，導通時，V V2 2導導通使通使V V3 3截止，則截止，則V V4 4和和V V5 5組成的達林頓組成的達林頓電路工作，對電路工作，對V V基基極注入驅(qū)動電流，極注入驅(qū)動電流，使使V V導通；當導通；當V V1 1截截止時，止時，V V3 3導通使導通使V V6 6導通，導通，V V5 5截止，則截止，則V V截止。截止。vC2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路?？蓪崿F(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通GTR目前的驅(qū)動也使用集成驅(qū)動電路，如三菱公司的M57215BL。

13、第12頁/共44頁5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路 2.2.電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路n n柵柵源源間間、柵柵射射間間有有數(shù)數(shù)千千皮皮法法的的電電容容，為為快快速速建建立立驅(qū)驅(qū)動動電電壓壓，要要求求驅(qū)驅(qū)動動電電路輸出電阻小路輸出電阻小n n使使MOSFETMOSFET開開通通的的驅(qū)驅(qū)動動電電壓壓一一般般101015V15V，使使IGBTIGBT開開通通的的驅(qū)驅(qū)動動電電壓壓一一般般151520V20Vn n關(guān)關(guān)斷斷時時施施加加一一定定幅幅值值的的負

14、負驅(qū)驅(qū)動動電電壓壓（一一般般取取 -5-5-15V-15V）有有利利于于減減小小關(guān)關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗斷時間和關(guān)斷損耗n n在在柵柵極極串串入入一一只只低低值值電電阻阻（數(shù)數(shù)十十歐歐左左右右）可可以以減減小小寄寄生生振振蕩蕩，該該電電阻阻阻阻值值應應隨隨被被驅(qū)驅(qū)動動器器件件電電流流額額定定值值的的增增大大而而減減小小。數(shù)數(shù)值值較較小小的的柵柵極極電電阻阻能能加加快快柵柵極極電電容容的的充充放放電電，從從而而減減小小開開關(guān)關(guān)時時間間和和開開關(guān)關(guān)損損耗耗，但但與與此此同同時時也也降降低低了了柵柵極極的的抗抗噪噪聲聲能能力力，并并可能導致寄生電感產(chǎn)生振蕩?？赡軐е录纳姼挟a(chǎn)生振蕩。第13頁/共44頁5

15、.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路電電電電力力力力MOSFETMOSFET的的一一種種驅(qū)驅(qū)動動電電路路：電電氣隔離和晶體管放大電路兩部分氣隔離和晶體管放大電路兩部分 無無輸輸入入信信號號時時高高速速放放大大器器A A輸輸出出負負電電平平,V,V3 3導導通通輸輸出出負負驅(qū)驅(qū)動動電壓電壓 當當有有輸輸入入信信號號時時A A輸輸出出正正電電平平，V V2 2導通輸出正驅(qū)動電壓導通輸出正驅(qū)動電壓 圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動電路專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值

16、為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動電壓+15V和-10V。第14頁/共44頁5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路n nIGBTIGBT的驅(qū)動的驅(qū)動n n可使用分立元件組成驅(qū)動電路，也可使用可使用分立元件組成驅(qū)動電路，也可使用IGBTIGBT專用集成驅(qū)動專用集成驅(qū)動電路。電路。IGBTIGBT專用集成驅(qū)動電路可靠性高、體積小，是專用于專用集成驅(qū)動電路可靠性高、體積小，是專用于IGBTIGBT的集驅(qū)動、保護等功能于一體的復合集成電路，主要有的集驅(qū)動、保護等功能于一體的復合集成電路，主要有富士公司的富士公

17、司的EXB8XXEXB8XX系列和夏普公司的系列和夏普公司的PC929PC929等等 。EXB8XX系列IGBT專用集成驅(qū)動電路采用單列直插式封裝，使用單電源20V供電，在輸出腳3和1間產(chǎn)生約15V的導通驅(qū)動電壓，而通過內(nèi)部穩(wěn)壓管在輸出腳1和9間產(chǎn)生約-5V的關(guān)斷偏壓。其內(nèi)置過流保護電路，可通過檢測IGBT在導通過程中的飽和壓降來實施對IGBT的過流保護，同時提供過流檢測輸出信號，便于外部電路采集。由于其內(nèi)部集成了功率放大電路，在一定程度上提高了驅(qū)動電路的抗干擾能力。第15頁/共44頁5.1 5.1 典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電路典型全控型器件的驅(qū)動電

18、路 IGBT驅(qū)動電路的應用電壓電流范圍標準型驅(qū)動電路信號延遲時間為4s，最大運行頻率為10kHz；高速型驅(qū)動電路信號最大延遲時間為1.5s，最大運行頻率為40kHz。第16頁/共44頁5.2 5.2 電力電子器件的保護電力電子器件的保護電力電子器件的保護電力電子器件的保護n n 5.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護n n 5.2.2 過電流保護n n 5.2.3 緩沖電路（Snubber Circuit）第17頁/共44頁5.2.1 5.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓電力電

19、子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓 外因過電壓外因過電壓外因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因 (1)(1)操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起 (2)(2)雷擊過電壓：由雷擊引起雷擊過電壓：由雷擊引起 內(nèi)因過電壓內(nèi)因過電壓內(nèi)因過電壓內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程 (1)(1)換換相相過過電電壓壓：晶晶閘閘管管或或與與全全控控型型器器件件反反并并聯(lián)聯(lián)的的二二極極管管在在換換相相結(jié)結(jié)束束后后不不能

20、能立立刻刻恢恢復復阻阻斷斷，因因而而有有較較大大的的反反向向電電流流流流過過，當當恢恢復復了了阻阻斷斷能能力力時時，該該反反向向電電流流急急劇劇減減小小，會會由由線線路路電電感感在在器器件件兩兩端端感應出過電壓感應出過電壓 (2)(2)關(guān)關(guān)斷斷過過電電壓壓：全全控控型型器器件件關(guān)關(guān)斷斷時時，正正向向電電流流迅迅速速降降低低而而由由線線路電感在器件兩端感應出的過電壓路電感在器件兩端感應出的過電壓第18頁/共44頁5.2.1 5.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓過電壓過電壓過電壓保護措施保護措施保護措施保護措施 閥側(cè)器件

21、換相過電壓抑制用RC電路壓敏電阻過電壓抑制器閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路變壓器靜電屏蔽層避雷器閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路靜電感應過電壓抑制電容直流側(cè)RC抑制電路閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路第19頁/共44頁5.2.1 5.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 圖1-35 RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相 b)三相外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見圖1-35RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)第20頁/共44頁

22、5.2.1 5.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 大容量電力電子裝置可采用圖大容量電力電子裝置可采用圖1-361-36所示的反向阻斷式所示的反向阻斷式RCRC電路電路圖圖1-361-36反向阻斷式過電壓抑制用反向阻斷式過電壓抑制用RCRC電路電路 保護電路參數(shù)計算可參考相關(guān)工程手冊保護電路參數(shù)計算可參考相關(guān)工程手冊 其其他他措措施施：用用雪雪崩崩二二極極管管、金金屬屬氧氧化化物物壓壓敏敏電電阻阻、硒硒堆堆和和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折折二極管（二極管（BODBOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓）等非線性元器件限制或吸收過電壓第21頁/共44

23、頁5.2.2 5.2.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流過電流過載和短路兩種情況過載和短路兩種情況常用措施：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器常用措施：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性電電子子電電路路作作為為第第一一保保護護措措施施，快快熔熔僅僅作作為為短短路路時時的的部部分分區(qū)區(qū)段段的的保保護護，直直流流快快速速斷斷路路器器整整定定在在電電子子電電路路動動作作之之后后實實現(xiàn)現(xiàn)保保護護，過過電電流流繼繼電電器器整整定定

24、在在過過載載時動作時動作圖圖1-371-37過電流保護措施及配置位置過電流保護措施及配置位置第22頁/共44頁5.2.2 5.2.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護快速熔斷器快速熔斷器快速熔斷器快速熔斷器 電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施 選擇快熔時應考慮：選擇快熔時應考慮：(1)(1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定(2)(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定電流容量按其在主電路中的接入方式和

25、主電路聯(lián)結(jié)形式確定(3)(3)快熔的快熔的I I 2 2t t值應小于被保護器件的允許值應小于被保護器件的允許I I 2 2t t值值(4)(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間 電流特性電流特性快熔對器件的保護方式：快熔對器件的保護方式：快熔對器件的保護方式：快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種全保護和短路保護兩種 全全保保護護：過過載載、短短路路均均由由快快熔熔進進行行保保護護，適適用用于于小小功功率率裝裝置置或或器器件件裕裕度較大的場合度較大的場合 短路保護方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用短路保護方式：快熔只在短

26、路電流較大的區(qū)域起保護作用第23頁/共44頁5.2.2 5.2.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護3.3.快速開關(guān)和過流繼電器快速開關(guān)和過流繼電器快速開關(guān)和過流繼電器快速開關(guān)和過流繼電器快速開關(guān)用在直流電路中，它的完全分斷時間最快為10ms。過流繼電器有直流和交流兩種，它們動作時間一般為幾百ms。在實際裝置中，為了避免經(jīng)常更換快熔，一般需用較小容量快速開關(guān)或過流繼電器，而同時選用較大容量的快熔。這樣，在發(fā)生過流時，快速開關(guān)或過流繼電器首先動作，即使動作速度不如快熔，同樣可以保護器件。經(jīng)過復位后，又可正常工作。第24頁/共44頁5

27、.2.2 5.2.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護對對重重要要的的且且易易發(fā)發(fā)生生短短路路的的晶晶閘閘管管設(shè)設(shè)備備，或或全全控控型型器器件件（很很難難用用快快熔熔保保護護），需需采采用用電電子子電電路路進行過電流保護進行過電流保護一一般般采采用用電電流流互互感感器器檢檢測測主主電電路路電電流流，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成直直流流電電壓壓后后送送給給電電壓壓比比較較器器，與與設(shè)設(shè)定定值值進進行行比比較較。優(yōu)優(yōu)點點一一是是響響應應迅迅速速，二是設(shè)定過流值方便。二是設(shè)定過流值方便?；魻栯娏鱾鞲衅骰魻栯娏鱾鞲衅鞯?5頁/共44頁5.2.3 5.2.

28、3 緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路緩沖電路（吸收電路）：吸收電路）：抑抑制制器器件件的的內(nèi)內(nèi)因因過過電電壓壓、d du u/d/dt t、過過電電流流和和d di i/d/dt t，減減小小器器件件的的開關(guān)損耗開關(guān)損耗 關(guān)關(guān)斷斷緩緩沖沖電電路路（d du u/d/dt t抑抑制制電電路路）吸吸收收器器件件的的關(guān)關(guān)斷斷過過電電壓壓和和換換相相過過電壓，抑制電壓，抑制d du u/d/dt t，減小關(guān)斷損耗，減小關(guān)斷損耗 開開通通緩緩沖沖電電路路（d di i/d/dt t抑抑制制電電路路）抑抑制制器器件件開開通通時時

29、的的電電流流過過沖沖和和d di i/d/dt t，減小器件的開通損耗，減小器件的開通損耗 將將關(guān)關(guān)斷斷緩緩沖沖電電路路和和開開通通緩緩沖沖電電路路結(jié)結(jié)合在一起合在一起復合緩沖電路復合緩沖電路 通通常常將將緩緩沖沖電電路路專專指指關(guān)關(guān)斷斷緩緩沖沖電電路路，將開通緩沖電路叫做將開通緩沖電路叫做d di i/d/dt t抑制電路抑制電路第26頁/共44頁5.2.35.2.3 緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析1.1.無緩沖電路：無緩沖電路：n nV V開開通通時時電電

30、流流迅迅速速上上升升，d di i/d/dt t很大很大n n關(guān)關(guān)斷斷時時d du u/d/dt t很很大大，并并出出現(xiàn)很高的過電壓現(xiàn)很高的過電壓2.2.有緩沖電路有緩沖電路n nV V開開通通時時：C Cs s通通過過R Rs s向向V V放放電電，使使i iC C先先上上一一個個臺臺階階，以以后后因因有有L Li i，i iC C上上升升速速度度減慢減慢n nV V關(guān)關(guān)斷斷時時：負負載載電電流流通通過過VDVDs s向向C Cs s分分流流，減減輕輕了了V V的的負負擔擔，抑抑制制了了d du u/d/dt t和和過過電電壓壓n nVDVDi i和和R Ri i的的作作用用是是在在V V關(guān)

31、關(guān)斷斷時時，給給L Li i提提供供貯貯能能的的釋釋放放回路?；芈贰D1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路 b)波形第27頁/共44頁5.2.3 5.2.3 緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）充放電型充放電型RCDRCD緩沖電路（圖緩沖電路（圖1-381-38），適用于中等容量的場合），適用于中等容量的場合 圖圖1-401-40示示出出另另兩兩種種，其其中中RCRC緩緩沖沖電電路路主主要要用用于于小小容容量量器器件件，而而放電阻止型放電阻止型RCDRCD緩沖電路用于中或大容量器件緩沖電路用于中或大容

32、量器件 圖圖1-401-40另外兩種常用的緩沖電路另外兩種常用的緩沖電路a)a)RCRC吸收電路吸收電路b)b)放電阻止型放電阻止型RCDRCD吸收電路吸收電路第28頁/共44頁5.2.3 5.2.3 緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路中的元件選取及其他注意事項緩沖電路中的元件選取及其他注意事項緩沖電路中的元件選取及其他注意事項緩沖電路中的元件選取及其他注意事項 C Cs s和和R Rs s的的取取值值可可實實驗驗確確定定或或參參考考工工程程手冊手冊 VDVDs s須須選選用用快快恢恢復復二二極極管管，額額定定電電流流

33、不小于主電路器件的不小于主電路器件的1/101/10 盡盡量量減減小小線線路路電電感感，且且選選用用內(nèi)內(nèi)部部電電感感小的吸收電容小的吸收電容 中中小小容容量量場場合合，若若線線路路電電感感較較小小，可可只在直流側(cè)設(shè)一個只在直流側(cè)設(shè)一個d du u/d/dt t抑制電路抑制電路 晶晶閘閘管管在在實實用用中中一一般般只只承承受受換換相相過過電電壓壓，沒沒有有關(guān)關(guān)斷斷過過電電壓壓，關(guān)關(guān)斷斷時時也也沒沒有有較較大大的的d du u/d/dt t，一一般般采采用用RCRC吸吸收收電電路路即可即可第29頁/共44頁5.3 5.3 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)電力

34、電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)n n 5.3.1 晶閘管的串聯(lián)n n 5.3.2 晶閘管的并聯(lián)n n 5.3.3 電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點第30頁/共44頁5.3.1 5.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)目的目的目的目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)問問問問題題題題：理理想想串串聯(lián)聯(lián)希希望望器器件件分分壓壓相相等等，但但因因特特性性差差異異，使器件電壓分配不均勻使器件電壓分配不均勻n n靜靜態(tài)態(tài)不不均均壓壓：串串聯(lián)聯(lián)的的器器件件流流過過的的漏漏電電流流相相同同，但但因因靜靜態(tài)態(tài)伏伏安安特特性性的的分分散散性性，各各器器件

35、件分分壓壓不不等等n n承承受受電電壓壓高高的的器器件件首首先先達達到到轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)折折電電壓壓而而導導通通，使使另另一一個個器器件件承承擔擔全全部部電電壓壓也也導導通通，失失去去控控制作用制作用n n反反向向時時，可可能能使使其其中中一一個個器器件件先反向擊穿，另一個隨之擊穿先反向擊穿，另一個隨之擊穿第31頁/共44頁5.3.1 5.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)靜態(tài)均壓措施靜態(tài)均壓措施靜態(tài)均壓措施靜態(tài)均壓措施 選用參數(shù)和特性盡量一致的器件選用參數(shù)和特性盡量一致的器件 采用電阻均壓，采用電阻均壓，R Rp p的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多的阻值應比器件阻斷時的正、

36、反向電阻小得多圖圖1-411-41晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)a)a)伏安特性差異伏安特性差異b)b)串聯(lián)均壓措施串聯(lián)均壓措施第32頁/共44頁5.3.1 5.3.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)動態(tài)均壓措施動態(tài)均壓措施動態(tài)均壓措施動態(tài)均壓措施 動動態(tài)態(tài)不不均均壓壓由由于于器器件件動動態(tài)態(tài)參參數(shù)數(shù)和和特特性性的的差差異異造造成成的的不不均均壓壓 動態(tài)均壓措施：動態(tài)均壓措施：選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件用用RCRC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓并聯(lián)支路作動態(tài)均壓采采用用門門極極強強脈脈沖沖觸觸發(fā)發(fā)可可以以顯顯著著減減小小器器件開通時間上的差異件開通時間上的

37、差異第33頁/共44頁5.3.2 5.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)目的目的目的目的：多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流問問問問題題題題：會會分分別別因因靜靜態(tài)態(tài)和和動動態(tài)態(tài)特特性性參參數(shù)數(shù)的的差差異異而而電電流流分分配配不不均均勻勻，SCRSCR導導通通后后的的內(nèi)內(nèi)阻阻極極小小是是并并聯(lián)聯(lián)時時很很難難均均流流的的根根本本原原因。因。均流措施均流措施均流措施均流措施 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件挑選特性參數(shù)盡量一致的器件 采采用用電電阻阻均均流流，R Rp p的的阻阻值值應應顯顯著著大大于于SCRSCR導通導通時的內(nèi)阻。（很少采用）時的內(nèi)阻。（很少

38、采用）用用門門極極強強脈脈沖沖觸觸發(fā)發(fā)也也有有助助于于動動態(tài)態(tài)均均流流 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接通常采用先串后并的方法聯(lián)接 采用均流電抗器采用均流電抗器第34頁/共44頁5.3.2 5.3.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)圖143 晶閘管并聯(lián)均流電路當SCR由于伏安特性差別，器件電流趨于不均衡時，電感阻止各支路電流的變化，以減小各支路電流的差異。第35頁/共44頁5.3.3 IGBT5.3.3 IGBT的級聯(lián)的級聯(lián)第36頁/共44頁5.45.4電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問

39、題電力電子器件應用共性問題散熱散熱散熱散熱 n n電力電子器件的散熱電力電子器件的散熱n n電力電子器件在傳遞和處理電能的同時，也要在管芯上產(chǎn)生相應的功率損耗，電力電子器件在傳遞和處理電能的同時，也要在管芯上產(chǎn)生相應的功率損耗，引起管芯溫度增加。為了保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許結(jié)溫，與最引起管芯溫度增加。為了保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許結(jié)溫，與最高結(jié)溫對應的器件耗散功率即是器件的最大允許耗散功率。器件正常工作時高結(jié)溫對應的器件耗散功率即是器件的最大允許耗散功率。器件正常工作時不應超過最高結(jié)溫和功耗的最大允許值，否則，器件特性與參數(shù)將要產(chǎn)生變不應超過最高結(jié)溫和功耗的最大允許值，否則，

40、器件特性與參數(shù)將要產(chǎn)生變化，甚至導致器件產(chǎn)生永久性的燒壞現(xiàn)象?；踔翆е缕骷a(chǎn)生永久性的燒壞現(xiàn)象。n n管芯溫度的高低與器件內(nèi)部功耗的大小、管芯到外界環(huán)境的傳熱條件管芯溫度的高低與器件內(nèi)部功耗的大小、管芯到外界環(huán)境的傳熱條件(傳熱傳熱機構(gòu)、材料、冷卻方式等機構(gòu)、材料、冷卻方式等)以及環(huán)境溫度等有關(guān)。設(shè)法減小器件的內(nèi)部功耗、以及環(huán)境溫度等有關(guān)。設(shè)法減小器件的內(nèi)部功耗、改善傳熱條件，對保證器件長期可靠運行有極重要的作用。改善傳熱條件，對保證器件長期可靠運行有極重要的作用。n n為了便于散熱，功率器件多加裝散熱器，結(jié)溫升高后的散熱過程和路線如下：為了便于散熱，功率器件多加裝散熱器，結(jié)溫升高后的散熱

41、過程和路線如下：管芯內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱能以傳導方式由管芯傳到固定它的外殼的底座上，再管芯內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱能以傳導方式由管芯傳到固定它的外殼的底座上，再由外殼將部分熱能以對流和輻射的形式傳到環(huán)境中去，大部分熱能則是通過由外殼將部分熱能以對流和輻射的形式傳到環(huán)境中去，大部分熱能則是通過底座直接傳到散熱器上，最后由散熱器傳到空氣中。底座直接傳到散熱器上，最后由散熱器傳到空氣中。第37頁/共44頁5.45.4電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題散熱散熱散熱散熱 n n工程實際中，結(jié)溫通常是指芯片的平均溫度，由于功率器件的芯片較大，溫工程實際中，

42、結(jié)溫通常是指芯片的平均溫度，由于功率器件的芯片較大，溫度分布是不均勻的，可能出現(xiàn)局部比最高允許結(jié)溫高得多的過熱點，導致器度分布是不均勻的，可能出現(xiàn)局部比最高允許結(jié)溫高得多的過熱點，導致器件損壞。所以規(guī)定的最高允許結(jié)溫遠低于其本征失效溫度，這被稱為結(jié)溫減件損壞。所以規(guī)定的最高允許結(jié)溫遠低于其本征失效溫度，這被稱為結(jié)溫減額使用。額使用。n n散熱設(shè)計的主要任務(wù)就是根據(jù)器件的耗散功率散熱設(shè)計的主要任務(wù)就是根據(jù)器件的耗散功率P Pd d設(shè)計一個具有適當熱阻的散設(shè)計一個具有適當熱阻的散熱方式和散熱器，以確保器件的管芯溫度不高于額定結(jié)溫熱方式和散熱器，以確保器件的管芯溫度不高于額定結(jié)溫T Tjmjm。當散

43、熱器的。當散熱器的環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為T Ta a時，從管芯到環(huán)境的總熱阻為：時，從管芯到環(huán)境的總熱阻為：在實際情況中常把總熱阻分成三部分。第一部分為從管芯到管殼的結(jié)-殼熱阻，第二部分為從管殼到散熱器的接觸熱阻，第三部分為從散熱器到環(huán)境的散熱器熱阻。第38頁/共44頁5.45.4電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題散熱散熱散熱散熱 對對器器件件用用戶戶來來說說，結(jié)結(jié)-殼殼熱熱阻阻是是不不能能改改變變的的一一個個參參數(shù)數(shù)。接接觸觸熱熱阻阻的的大大小小與與多多種種因因素素有有關(guān)關(guān)。它它不不但但決決定定于于器器件件的的封封裝裝形形式式、界界

44、面面平平整整度度和和散散熱熱器器的的安安裝裝壓壓力力，還還決決定定于于管管殼殼與與散散熱熱器器之之間間是是否否加加絕絕緣緣墊墊片片和和導導熱熱脂脂。一一般般情情況況下下，增增加加安安裝裝壓壓力力可可減減小小接接觸觸熱熱阻阻。在在管管殼殼和和散散熱熱器器之之間間涂涂導導熱熱脂脂也也可可減減小小接接觸觸熱熱阻阻，但但加加絕絕緣緣墊墊片片會會增增加加接接觸觸熱熱阻阻。當當然然，絕絕緣緣墊墊片片只只在在不不得得不不加加時時才才加加，盡盡量量選選用用導導熱熱性性好好的的材材料料，并并涂涂敷敷導導熱熱脂脂。散散熱熱器器熱熱阻阻與與散散熱熱器器材材料料、形形狀狀、表表面面狀狀況況、功功耗耗元元件件的的安安裝

45、裝位位置置以以及及冷冷卻卻介介質(zhì)質(zhì)的的性性質(zhì)質(zhì)等等多多種種因因素素有有關(guān)關(guān)。散散熱熱器器表表面面經(jīng)經(jīng)黑黑化化處處理理之之后后可可明明顯顯增增加加散散熱熱效效果果，散散熱熱器器采采用用指指狀狀或或枝枝狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，可可增增加加散散熱熱面面積積。強強迫迫風風冷冷是是降降低低散散熱熱器器熱熱阻阻的的一一種種有有效效形形式式，常常用用的的風風冷冷和和自自然然冷冷卻卻散散熱熱器器由由鋁鋁板板或或鋁鋁型型材材料料制制成成。使使用用液液體體作作為為散散熱熱介介質(zhì)質(zhì)的的液液冷冷方方式式對對于于降降低低熱熱阻阻的的效效力力更更高高，所所用用的的散散熱熱器器體體積積更更小小，特別適用于特大功率耗散情況。特別適用于

46、特大功率耗散情況。第39頁/共44頁5.45.4電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題散熱散熱散熱散熱 使用風機降低散熱器溫度目前有兩種控制方式，一種是風機與裝置同步工作，適合于負載基本不變的情況，如PC機電源；另一種是風機的起、停受裝置的內(nèi)部溫度（尤其是散熱器的溫度）控制。常用的辦法是使用溫度傳感器采集溫度，與預設(shè)的溫度基準進行比較，當測量的溫度高于設(shè)定值后，風機起動加速散熱；當溫度下降后，風機停轉(zhuǎn)。這種方式適合負載變化的情況，例如以蓄電池為后備電源的整流裝置，大多數(shù)時間蓄電池接近滿容量，充電電流較小，整流裝置工作在輕載狀態(tài)，散熱器溫

47、度不高，風機不工作；在交流電源長時間停電，蓄電池放電為負載供電后，交流電源重新恢復時，整流裝置要對蓄電池進行大電流充電，此時裝置工作在重載狀態(tài)，風機工作。該控制方式在達到降溫目的的同時，能大大提高風機的壽命，進而提高整個裝置的壽命。第40頁/共44頁5.45.4電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題散熱散熱散熱散熱 散熱器溫控風冷滯環(huán)控制方式 另外，使用散熱器對功率開關(guān)管進行散熱時，可采用帶常閉觸頭的溫度繼電器來實現(xiàn)過熱保護，將溫度繼電器測量面固定在散熱器表面，其常閉觸頭用來控制功率開關(guān)管的驅(qū)動回路，一旦散熱器溫度過高，溫度繼電器動作，

48、驅(qū)動電路停止工作，功率開關(guān)管截止。第41頁/共44頁5.55.5電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電感和電容電感和電容電感和電容電感和電容n n電感是電力電子電路中常用的元件，由于它的電流、電壓相電感是電力電子電路中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，因此理論損耗為零。常為儲能元件，也常與電容共位不同，因此理論損耗為零。常為儲能元件，也常與電容共用在輸入濾波器和輸出濾波器上，用于平滑電流。其特點是用在輸入濾波器和輸出濾波器上，用于平滑電流。其特點是流過其上的電流有流過其上的電流有“很大的慣性很大的慣性”。換句話說，由于。換句話說

49、，由于“磁通磁通連續(xù)連續(xù)”性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產(chǎn)生很大性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會產(chǎn)生很大的電壓尖峰。由于電感要使用磁性元件，而磁性材料特性的的電壓尖峰。由于電感要使用磁性元件，而磁性材料特性的非線性和不易測量的特性使得在中、大功率的電力電子電路非線性和不易測量的特性使得在中、大功率的電力電子電路中，電感基本上都是自行設(shè)計的。中，電感基本上都是自行設(shè)計的。n n電容是電子線路中應用非常廣泛的電子元件，它與電感一樣電容是電子線路中應用非常廣泛的電子元件，它與電感一樣也是儲存電能和傳遞電能的元件，但對頻率的特性卻剛好相也是儲存電能和傳遞電能的元件，但對頻率的特性卻剛好相

50、反。應用在電力電子電路上，主要是反。應用在電力電子電路上，主要是“吸收吸收”紋波，具有平紋波，具有平滑電壓波形的作用。電容的種類也多種多樣，在電力電子主滑電壓波形的作用。電容的種類也多種多樣，在電力電子主回路中，主要用到鋁電解電容和無感電容?；芈分?，主要用到鋁電解電容和無感電容。第42頁/共44頁5.55.5電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電力電子器件應用共性問題電感和電容電感和電容電感和電容電感和電容 鋁電解電容管腳有正、負之分，容量為0.471000000F，工作電壓為3500V，主要用作整流電路的電壓平滑濾波電容。在功率開關(guān)管由導通變?yōu)殛P(guān)斷瞬間，流

51、過功率管的電流會迅速下降，由于電路中電感量的作用，會產(chǎn)生較高的尖峰電壓，若該電壓超過功率管所能承受的電壓，則會發(fā)生器件擊穿，造成器件永久損壞。因此一般都要在功率管兩端并聯(lián)吸收電路，如RC和RCD電路。在這其中電容是很關(guān)鍵的吸收元件，但實際的電容等效電路上有一個串聯(lián)的電感，因此難以實現(xiàn)很好的吸收電壓尖峰的效果。無感電容對吸收電壓尖峰有很好的效果，但由于其價格偏貴，通常只用于中、大功率開關(guān)管的電壓尖峰吸收電路中。對于鋁電解電容和無感電容來說，其主要參數(shù)為額定電壓和容量閥值。在使用時應根據(jù)電路中的電壓并留有余量后確定電容的額定電壓，容量閥值決定其使用效果。隨著額定電壓和容量閥值的增加，電容體積呈增長趨勢。第43頁/共44頁