第9章电力电子器件应用的共性问题 9.1电力电子器件的驱动 9.2电力电子器件的保护 9.3电力电子器件的串联使用和并联使用 本章小结
第9章 电力电子器件应用的共性问题 9.1 电力电子器件的驱动 9.2 电力电子器件的保护 9.3 电力电子器件的串联使用和并联使用 本章小结
9.1电力电子器件的驱动 9.1.1电力电子器件驱动电路概述 9.1.2晶闸管的触发电路 9.1.3典型全控型器件的驱动电路 2/43
2/43 9.1 电力电子器件的驱动 9.1.1 电力电子器件驱动电路概述 9.1.2 晶闸管的触发电路 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路
应用电力电子器件的系统组成 ■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 检测 电路 控制电路 保护 电路 ←分 驱动 主电路 电路 电气隔离 图9-0电力电子器件在实际应用中的系统组成 3/89
3/89 应用电力电子器件的系统组成 ■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 电气隔离 控 制 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路 L R V1 V2 主电路 图9-0 电力电子器件在实际应用中的系统组成 ★
9.1.1电力电子器件驱动电路概述 驱动电路 ◆是电力电子主电路与控制电路之间的接口。 ◆良好的驱动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。 ◆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。 驱动电路的基本任务 ◆按控制目标的要求给器件施加开通或关断的信号。 ◆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。 4/43
4/43 9.1.1 电力电子器件驱动电路概述 ■驱动电路 ◆是电力电子主电路与控制电路之间的接口。 ◆良好的驱动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。 ◆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。 ■驱动电路的基本任务 ◆按控制目标的要求给器件施加开通或关断的信号。 ◆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
9.1.1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 旷光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。 m有普通、高速和高传输比三种类型。 ◆磁隔离的元件通常是脉冲变压器 当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法。 a b 图9-1光耦合器的类型及接法 a)普通型b)高速型c)高传输比型 5/43
5/43 9.1.1 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 ☞光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。 ☞有普通、高速和高传输比三种类型。 ◆磁隔离的元件通常是脉冲变压器 ☞当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法。 E R E R E R a) b) c) Uin Uout R1 IC ID R1 R1 图9-1 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型
9.1.1电力电子器件驱动电路概述 驱动电路的分类 ◆按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间 信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电 压驱动型两类。 ◆晶闸管的驱动电路常称为触发电路。 ■驱动电路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。 6/43
6/43 9.1.1 电力电子器件驱动电路概述 ■驱动电路的分类 ◆按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间 信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电 压驱动型两类。 ◆晶闸管的驱动电路常称为触发电路。 ■驱动电路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
9.1.2晶闸管的触发电路 ★ ■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。 ◆晶闸管触发电路往往还包括对其触发时 刻进行控制的相位控制电路。 ◆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， 112 比如对感性和反电动势负载的变流器应采 用宽脉冲或脉冲列触发。脉冲应有一定宽 图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形 度以保证在触发期间阳极电流能达到掣住 t~t一脉冲前沿上升时间(<1s) tt强脉冲宽度 电流而维持导通，触发脉冲的前沿尽可能 I一强脉冲幅值(3IG~5Icr) 陡，为了快速而可靠地触发大功率晶闸管， tt一脉冲宽度 常在脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲。 脉冲平顶幅值（1.51cr2Icr） 摩晶闸管是电流控制型器件，在门极必须注入足够的电流才能 触发导通。触发电路提供的触发电压与电流必须大于产品参数提 供的门极触发电压与触发电流值，但不得超过规定的门极最大允 许峰值电压与峰值电流。 7/43
7/43 9.1.2 晶闸管的触发电路 I IM t 1 t 2 t 3 t 4 图9-2 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强脉冲宽度 IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT） ■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。 ◆晶闸管触发电路往往还包括对其触发时 刻进行控制的相位控制电路。 ◆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， 比如对感性和反电动势负载的变流器应采 用宽脉冲或脉冲列触发。 脉冲应有一定宽 度以保证在触发期间阳极电流能达到掣住 电流而维持导通，触发脉冲的前沿尽可能 陡，为了快速而可靠地触发大功率晶闸管， 常在脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲 。 ☞晶闸管是电流控制型器件，在门极必须注入足够的电流才能 触发导通。触发电路提供的触发电压与电流必须大于产品参数提 供的门极触发电压与触发电流值，但不得超过规定的门极最大允 许峰值电压与峰值电流。 ★
9.1.2晶闸管的触发电路 ■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。 ◆晶闸管触发电路往往还包括对其触发时 刻进行控制的相位控制电路。 ◆触发电路应满足下列要求 r触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合 脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电 流的35倍，脉冲前沿的陡度也需增加， 112 一般需达1~2A/μs。 图9-2理想的晶闸管触发脉冲电流波形 1t脉冲前沿上升时间(<1s) tt强脉冲宽度 r应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主 I强脉冲幅值(3IG5Icr) 电路的电气隔离。 4t脉冲宽度 脉冲平顶幅值（1.51c~2IcT) 8/43
8/43 9.1.2 晶闸管的触发电路 I IM t 1 t 2 t 3 t 4 图9-2 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强脉冲宽度 IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT） ■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。 ◆晶闸管触发电路往往还包括对其触发时 刻进行控制的相位控制电路。 ◆触发电路应满足下列要求 ☞触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合， 脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电 流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加， 一般需达1~2A/s。 ☞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
9.1.2晶闸管的触发电路 常见的晶闸管触发电路 +E9 +E9 VD2 R ◆由V、V,构成的脉冲放大环 节和脉冲变压器TM和附属电路构 本 成的脉冲输出环节两部分组成。 ◆当V、V,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。 ◆VD,和R,是为了V、V,由导 通变为截止时脉冲变压器TM释放 其储存的能量而设的。 ◆为了获得触发脉冲波形中的 图93常见的晶闸管触发电路 强脉冲部分，还需适当附加其它 电路环节。 9/43
9/43 9.1.2 晶闸管的触发电路 图9-3 常见的晶闸管触发电路 ■常见的晶闸管触发电路 ◆由V1、V2构成的脉冲放大环 节和脉冲变压器TM和附属电路构 成的脉冲输出环节两部分组成。 ◆当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 其储存的能量而设的。 ◆为了获得触发脉冲波形中的 强脉冲部分，还需适当附加其它 电路环节
9.1.3典型全控型器件的驱动电路 ■电流驱动型器件的驱动电路 ◆GTO和GTR是电流驱动型器 件。 G ◆GTO 旷开通控制与普通晶闸管相 似，但对触发脉冲前沿的幅值和 施加约5V的负偏 陡度要求高，且一般需在整个导 压，以提高抗干 通期间施加正门极电流，使GTO 扰能力。 关断需施加负门极电流，对其幅 值和陡度的要求更高。 mGTO一般用于大容量电路 隔值需达阳极电流 的场合，其驱动电路通常包括开 的1/3左右，陡度需 达50A/s,强负脉 通驱动电路、关断驱动电路和门 冲宽度约30μs,负 脉冲总宽约100μs 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 图9-4推荐的GTO门极电压电流波形 类型。 10/43
10/43 9.1.3 典型全控型器件的驱动电路 O t t O uG iG 图9-4 推荐的GTO门极电压电流波形 ■电流驱动型器件的驱动电路 ◆GTO和GTR是电流驱动型器 件。 ◆GTO ☞开通控制与普通晶闸管相 似，但对触发脉冲前沿的幅值和 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。 ☞GTO一般用于大容量电路 的场合，其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。 幅值需达阳极电流 的1/3左右，陡度需 达50A/s，强负脉 冲宽度约30s，负 脉冲总宽约100s 施加约5V的负偏 压，以提高抗干 扰能力