电力电子技术模块2

2.1电力电子器件驱动电路概述1.驱动电路定义：主电路与控制电路之间的接口2.驱动电路的基本任务： 将电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换使电力电子器件开通或关断的信号（加在控制端和公共端之间） 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。3.驱动电路的形式分立元件构成专用的集成驱动电路4.控制电路与主电路之间的电气隔离环节磁隔离的元件通常是脉冲变压器光隔离一般采用光耦合器(光耦）。其连接类型分别有普通型、高速型、高传输比型。归纳1驱动电路主电路与控制电路之间的接口性能良好的驱动电路使电力电子器件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、安全性有重要意义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。驱动电路对半控型器件提供开通控制信号关断信号开通信号对全控型器件提供驱动电路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）。驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号电流驱动型电压驱动型晶闸管电流驱动型器件半控型器件触发电路晶闸管的驱动电路归纳22.2晶闸管的驱动与保护 1.单结晶体管触发电路（补充内容） 2.锯齿波同步移相触发器 3.集成触发电路及数字触发电路 4.触发电路与主电路电压的同步 5.晶闸管的串并联及保护1.单结晶体管触发电路对于触发电路通常有如下要求： 触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率 触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步 触发脉冲能满足主电路移相范围的要求 触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡 触发电路通常以组成的主要元件名称分类，可分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器、计算机控制数字触发电路等。 常见的触发脉冲电压波形如下：单结晶体管触发电路一、单结晶体管单结晶体管的结构、图形符号及等效电路如图所示。单结晶体管触发电路图2-2单结晶体管(a)结构示意(b)等效电路(c)图形符号(d)外形及管脚分压比Ue＞UP：Ie增大，rb1急剧下降，UA达到最小，Ue也最小，达到谷点V负阻区（PV段）达到UV后，单结晶体管处于饱和导通状态饱和区（VN段）截止区（ap段）Ue＜UA：PN结反偏置，只有很小的反向漏电流Ue=UA：Ie＝０，特性曲线与横坐标交点ｂ处Ue上升：Ue＝UP＝ηUbb＋UD，单结晶体管导通，该转折点称为峰点P二、单结晶体管自激振荡电路1.电源接通：E通过Re对C充电，时间常数为ReC2.Uc增大，达到UP，单结晶体管导通，C通过R1放电3.Uc减少，达到Uv，单结晶体管截止，ｕR1下降，接近于零4.重复充放电过程Re的值不能太大或太小，满足电路振荡的Re的取值范围图2-4单结晶体管自激振荡电路 为了防止Re取值过小电路不能振荡，一般取一固定电阻r与另一可调电阻Re串联，以调整到满足振荡条件的合适频率。若忽略电容C放电时间，电路的自激振荡频率近似为： 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。 实际应用中，常用晶体管Ｖ2代替电位器Re，以便实现自动移相。 TP：脉冲变压器，实现触发电路与主电路的电气隔离。图2-6　单结管触发电路其它形式2.锯齿波同步移相触发器 晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率越大。对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。 晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。 同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。同步电压为锯齿波的触发电路 输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。 五个基本环节：同步环节、锯齿波的形成与脉冲移相控制环节、脉冲形成放大与输出环节、双窄脉冲形成环节、强触发环节。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——取决于充电时间常数R1C1。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2)锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。 恒流源电路方案，由VT1、VT2、VT3和C2等元件组成VT1、VS、RP1和R3为一恒流源电路3）脉冲形成放大与输出环节 VT4、VT5—脉冲形成 VT7、VT8—脉冲放大 控制电压uK加在VT4基极上 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 VT5、VT6构成“或”门 当VT5、VT6都导通时，VT7、VT8都截止，没有脉冲输出。 只要VT5、VT6有一个截止，都会使VT7、VT8导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本相触发单元的uK对应的控制角产生。 隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过VT6）。同步电压为锯齿波的触发电路 各点电压波形如图2-8所示。图2-8锯齿波触发电路各点电压波形图2-7同步电压为锯齿波的触发电路3.集成触发电路 集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。 晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。 KC04与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。3.集成触发电路图2-9KC04电路原理图集成触发电路 完整的三相全控桥触发电路 3个KC04集成块和1个KC41C集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。图2-10三相全控桥整流电路的集成触发电路所谓同步，是指给触发电路提供与晶闸管所承受的电源电压保持合适相位关系的电压，使其触发脉冲的相位出现在被触发的晶闸管承受正向电压的区间，确保主电路各晶闸管在每一个周期中按相同的顺序和控制角被触发导通。 定相：将提供给触发电路合适相位的电压称为同步信号电压，正确选择同步信号电压与晶闸管主电压的相位关系称为同步或定相。4.触发电路与主电路电压的同步5.晶闸管的串并联与保护一、晶闸管的串联使用1.串联使用的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。2.串联使用时的问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。3.串联使用时要均压措施：一般在器件上并联阻值相等的电阻。静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件；采用电阻均压，Rj的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。动态均压措施通常在元件两端并联R、C阻容吸收回路，它既可起过电压保护作用，又可利用电容电压不能突变而减慢元件上的电压变化以实现动态均压的目的目的：多个器件并联来承担较大的电流。问题：SCR会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。二、晶闸管的并联使用a）电阻均流法：均流电阻阻值大于SCR导通时的内阻b）电抗均流法三、电力电子器件的保护（一）过电压的产生及过电压保护1.过电压的产生原因外因过电压: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（浪涌过电压）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。过电压的产生过电压外因过电压内因过电压操作过电压雷击过电压换相过电压关断过电压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。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。电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形，如图所示：2.过电压的保护措施针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，称为吸收回路。（1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关断过电压）（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻外形同瓷介电容特性曲线同正反相稳压管压敏电阻的接法： 单相联接 三相星形联接　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　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电路过电压保护措施（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）快速熔断器保护的接法a)串于桥臂中b)串于交流侧c)串于直流侧银质熔丝石英沙过电流保护过电流保护措施过电流继电器快速熔断器直流快速断路器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性过电流短路时的部分区段的保护整定在电子电路动作之后实现保护整定在过载时动作短路过载快熔是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，选择快熔时考虑： 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。 电流容量因按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。 快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。 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。保护方式短路保护需与其他过电流保护措施相配合全保护只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合不论过载还是短路均由快熔保护只在短路电流较大的区域内起保护作用   根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型。2.3电流型自关断器件的驱动1.电流驱动型器件的驱动电路（GTO、GTR）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；关断：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。　推荐的GTO门极电压电流波形2.GTO驱动电路通常包括三部分：开通电路、关断电路和门极反偏电路典型GTO驱动电路的解释： 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3.GTR驱动电路GTR的一种驱动电路贝克钳位电路 栅源间、栅射间有数千皮法（PF)的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小； 开通的驱动电压应达一定值：MOSFET10~15V，IGBT15~20V； 关断时施加一定幅值的负驱动电压-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。2.4电压型自关断器件的驱动电力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 电力MOSFET的一种驱动电路IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器2.5自关断器件的保护 1.缓冲电路缓冲电路（吸收电路）作用抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路关断缓冲电路（du/dt抑制电路）用于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）用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗缓冲电路复合缓冲电路将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起耗能式缓冲电路缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上馈能式缓冲电路（无损吸收电路）缓冲电路中储能元件的能量回馈给负载或电流缓冲电路通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路　di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形缓冲电路无缓冲电路V开通电流迅速上升，di/dt很大V关断du/dt很大，并出现很高的过电压有缓冲电路V开通Cs通过Rs向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有di/dt抑制电路的Li,ic上升速度减慢。V关断负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。b)di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路波形缓冲电路　关断时的负载线无缓冲电路uCE迅速上升，负载L上的感应电压是续流二极管VD开始导通，负载线A从移动到B，iC下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。有缓冲电路CS的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降，负载线经过D到达C，负载线ABC经过的是小电流、小电压区，器件的关断损耗比无缓冲电路时降低。缓冲电路b)c)a)a)充放电型RCD缓冲电路另外两种常用缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路2.电力MOSFET和IGBT并联运行的特点 电力MOSFET并联运行的特点 Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。 电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。 IGBT并联运行的特点 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数。 在以上的区段则具有正温度系数。 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。2.6任务实施---绝缘栅双极晶体管驱动电路设计 采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路2.7知识拓展---集成驱动芯片介绍UAA4002的内部结构及工作原理图UAA4002应用接线图EXB841的电路原理图小结 晶闸管（SCR）的触发电路应满足与主电路同步、能平稳移相且有足够移相范围、脉冲前沿陡、有足够的幅值与脉宽、抗干扰能力强等要求。锯齿波同步移相触发电路主要有同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。集成化的锯齿波同步移相触发电路有KC（或KJ）系列。目前，以单片机为主体的数字化触发电路在大功率整流电路中得到越来越广泛的应用。 晶闸管的过压保护主要使用压敏电阻、阻容吸收等，过流保护则采用电流检测、快速熔断器等，另外还应对du/dt、di/dt进行限制。 电力晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GTO）属电流型自关断器件。GTO的驱动电路中的门极开通电路与SCR触发电路基本相同，而要求门极关断电路能产生足够大的反向电流来关断已导通的GTO。GTR驱动电路除满足一般驱动电路的要求外，还应有抗饱和电路，使GTR工作在准饱和区，提高开关速度，降低开关损耗。 电力场效应晶体管（P-MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）都属电压型自关断器件。由于电压型器件输出阻抗高，驱动电流小，因此驱动电路相对比较简单。目前，有许多专用芯片用来驱动自关断器件，如UAA4002、IR2110、EXB840等，这些芯片集成化程度高、保护功能好、抗干扰能力强，使用日趋广泛。小结