【正文】 器 ERERERa ) b ) c )UinUoutR1ICIDR1R1圖 125 光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型 電力電子器件驅(qū)動電路概述 按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分 ， 可分為 電流驅(qū)動型 和 電壓驅(qū)動型 。 驅(qū)動電路具體形式可為 分立元件 的 ， 但目前的趨勢是采用 專用集成驅(qū)動電路 。 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路 。 為達到參數(shù)最佳配合 ， 首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動電路 。 分類 晶閘管的觸發(fā)電路 作用 ： 產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖 ， 保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通 。 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求 ： 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通 。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度 。 不超過門極電壓 、 電流和功率定額 ， 且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi) 。 有良好的抗干擾性能 、 溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離 。 t I I M t 1 t 2 t 3 t 4 圖 126 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形 t1~t2?脈沖前沿上升時間（ 1?s） t1~t3?強脈寬度 IM?強脈沖幅值（ 3IGT~5IGT） t1~t4?脈沖寬度 I?脈沖平頂幅值（ ~2IGT） 晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管的觸發(fā)電路 V V2構(gòu)成 脈沖放大環(huán)節(jié) 。 脈沖變壓器 TM和附屬電路構(gòu)成 脈沖輸出環(huán)節(jié) 。 V V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 圖 127 常見的晶閘管觸發(fā)電路 常見的晶閘管觸發(fā)電路 典型全控型器件的驅(qū)動電路 (1) GTO GTO的 開通控制 與普通晶閘管相似 。 GTO關(guān)斷控制 需施加負門極電流 。 圖 128 推薦的 GTO門極電壓電流波形 O t t O u G i G 1) 電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 正的門極電流 5V的負偏壓 GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路 、 關(guān)斷驅(qū)動電路 和 門極反偏電路三部分 ， 可分為 脈沖變壓器耦合式 和 直接耦合式 兩種類型 。 典型全控型器件的驅(qū)動電路 直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩 ， 可得到較陡的脈沖前沿 。 目前應(yīng)用較廣 ， 但其功耗大 ， 效率較低 。 圖 129 典型的直接耦合式 GTO驅(qū)動電路 典型全控型器件的驅(qū)動電路 開通驅(qū)動電流應(yīng)使 GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài) ， 使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū) 。 關(guān)斷 GTR時 ， 施加一定的負基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗 。 關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值 （ 6V左右 ） 的負偏壓 。 t O i b 圖 130 理想的 GTR基極驅(qū)動電流波形 (2) GTR 典型全控型器件的驅(qū)動電路 GTR的一種驅(qū)動電路 ， 包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分 。 VD1AVVS0 V+ 10V+ 15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖 131 GTR的一種驅(qū)動電路 驅(qū)動 GTR的集成驅(qū)動電路中， THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的 M57215BL較為常見。 典型全控型器件的驅(qū)動電路 電力 MOSFET和 IGBT是電壓驅(qū)動型器件 。 為快速建立驅(qū)動電壓 ， 要求驅(qū)動電路輸出電阻小 。 使 MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般 10~15V， 使 IGBT開通的驅(qū)動電壓一般 15 ~ 20V。 關(guān)斷時施加一定幅值的負驅(qū)動電壓 （ 一般取 5 ~ 15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗 。 在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩 。 2) 電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路 典型全控型器件的驅(qū)動電路 (1) 電力 MOSFET的一種驅(qū)動電路： 電氣隔離 和 晶體管放大電路 兩部分 圖 132 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為16mA，輸出最大脈沖電流為 +2A和 3A，輸出驅(qū)動電壓 +15V和 10V。 典型全控型器件的驅(qū)動電路 (2) IGBT的驅(qū)動 圖 133 M57962L型 IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖 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 EXB8EXB84 EXB850和 EXB851）。 多采用專用的混合集成驅(qū)動器。 電力電子器件器件的保護 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 過電流保護 緩沖電路 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 外因過電壓： 主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因 操作過電壓 ：由分閘 、 合閘等開關(guān)操作引起 雷擊過電壓 ：由雷擊引起 內(nèi)因過電壓： 主要來自電力電子裝臵內(nèi)部器件的開關(guān)過程 換相過電壓 ：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后 ， 反向電流急劇減小 ， 會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓 。 關(guān)斷過電壓 ：全控型器件關(guān)斷時 ， 正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓 。 電力電子裝臵可能的過電壓 —— 外因過電壓 和 內(nèi)因過電壓 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 過電壓保護措施 圖 134 過電壓抑制措施及配臵位臵 F?避雷器 D?變壓器靜電屏蔽層 C?靜電感應(yīng)過電壓抑制電容 RC1?閥側(cè)浪涌過電壓抑制用 RC電路 RC2?閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式 RC電路 RV?壓敏電阻過電壓抑制器 RC3?閥器件換相過電壓抑制用 RC電路 RC4?直流側(cè) RC抑制電路 RCD?閥器件關(guān)斷過電壓抑制用 RCD電路 電力電子裝臵可視具體情況只采用其中的幾種。 其中 RC3和 RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。 過電流保護 過電流 ——過載 和 短路 兩種情況 保護措施 負載 觸發(fā)電路 開關(guān)電路 過電流 繼電器 交流斷路器 動作電流 整定值 短路器 電流檢測 電子保護電路 快速熔斷器 變流器 直流快速斷路器 電流互感器 變壓器 同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。 電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分 區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。 圖 137 過電流保護措施及配臵位臵 過電流保護 全保護：過載 、 短路均由快熔進行保護 ， 適用于小功率裝臵或器件裕度較大的場合 。 短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用 。 對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備 ， 或全控型器件 ， 需采用電子電路進行過電流保護 。 常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)臵過電流保護環(huán)節(jié) ， 響應(yīng)最快 。 快熔對器件的保護方式： 全保護 和 短路保護兩種 緩沖電路 關(guān)斷緩沖電路 （ du/dt抑制電路 ） ——吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓 ， 抑制 du/dt， 減小關(guān)斷損耗 。 開通緩沖電路 （ di/dt抑制電路 ） ——抑制器件開通時的電流過沖和 di/dt， 減小器件的開通損耗 。 復(fù)合緩沖電路 ——關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合 。 按能量的去向分類法： 耗能式緩沖電路 和 饋能式緩沖電路（ 無損吸收電路 ） 。 通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路 ， 將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路 。 緩沖電路 (Snubber Circuit) ： 又稱 吸收電路 ，抑制器件的內(nèi)因過電壓、 du/dt、過電流和 di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。 b) t u CE i C O d i d t 抑制電路 無 時d i d t 抑制電路 有 時有緩沖電路時 無緩沖電路時 u CE i C 緩沖電路 緩沖電路作用分析 無緩沖電路： 有緩沖電路： 圖 138 di/dt抑制電路和 充放電型 RCD緩沖電路及波形 a) 電路 b) 波形 A D C B 無緩沖電路 有緩沖電路 u CE i C O 圖 139 關(guān)斷時的負載線 緩沖電路 充放電型 RCD緩沖電路 ，適用于中等容量的場合 。 圖 138 di/dt抑制電路和 充放電型 RCD緩沖電路及波形 a) 電路 其中 RC緩沖電路主要用于小容量器件 ， 而放電阻止型 RCD緩沖電路用于中或大容量器件 。 圖 140 另外兩種常用的緩沖電路 a) RC吸收電路 b) 放電阻止型 RCD吸收電路 晶閘管的串聯(lián) 晶閘管的并聯(lián) 電力 MOSFET和 IGBT并聯(lián)運行的特點 晶閘管的串聯(lián) 問題 ：理想串聯(lián)希望器件分壓相等 ， 但因特性差異 ， 使器件電壓分配不均勻 。 靜態(tài)不均壓 ：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同 ， 但因靜態(tài)伏安特性的分散性 ， 各器件分壓不等 。 動態(tài)不均壓 ：由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。 目的 ：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時 ， 可以串聯(lián) 。 晶閘管的串聯(lián) 靜態(tài)均壓措施 ： 選用參數(shù)和特性盡量一致的器件 。 采用電阻均壓 ， Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時的正 、 反向電阻小得多 。 b) a) R C R C VT 1 VT 2 R P R P I O U U T1 I R U T2 VT 1 VT 2 圖 141 晶閘管的串聯(lián) a) 伏安特性差異 b) 串聯(lián)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 。 用 RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓 。 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間的差異 。 晶閘管的并聯(lián) 問題 ：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻 。 均流措施 ： 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件 。 采用均流電抗器 。 用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流 。 當(dāng)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 。 目的 ：多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流 MOSFET和 IGBT并聯(lián)運行的特點 Ron具有正溫度系數(shù) ， 具有電流自動均衡的能力 ， 容易并聯(lián) 。 注意選用 Ron、 UT、 Gfs和 Ciss盡量相近的器件并聯(lián) 。 電路走線和布局應(yīng)盡量對稱 。 可在源極電路中串入小電感 ,起到均流電抗器的作用 。 IGBT并聯(lián)運行的特點 在 1/2或 1/3額定電流以下的區(qū)段 ， 通態(tài)壓降具有 負 溫度系數(shù) 。 在以上的區(qū)段則具有 正 溫度系數(shù) 。 并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力 ， 易于并聯(lián) 。 電力 MOSFET并聯(lián)運行的特點 圖 142 電力電子器件分類“樹” 本章小結(jié) 主要內(nèi)容 全面介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu) 、工作原理 、 基本特性和主要參數(shù)等 。 集中討論電力電子器件的驅(qū)動 、 保護和串 、 并聯(lián)使用 。 電力電子器件類型歸納 單極型 ：電力 MOSFET和SIT 雙極型 ：電力二極管、晶閘管、 GTO、 GTR和 SITH 復(fù)合型 ： IGBT和 MCT 分類： DATASHEET 本章小結(jié) 特點 ：輸入阻抗高 ， 所需驅(qū)動功率小 ， 驅(qū)動電路簡單 ， 工作頻率高 。 電流驅(qū)動型 ：雙極型器件中除 SITH外 特點 ：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) ， 因而通態(tài)壓降低 ， 導(dǎo)通損耗小 ， 但工作頻率較低 ， 所需驅(qū)動功率大 ,驅(qū)動電路較復(fù)雜 。 電壓驅(qū)動型 ：單極型器件和復(fù)合型器件 ， 雙極型器件中的 SITH 本章小結(jié) IGBT為主體 ， 第四代產(chǎn)品 ， 制造水平 / ， 兆瓦以下首選 。 仍在不斷發(fā)展 ， 與 IGCT等新器件激烈競爭 ， 試圖在兆瓦以上取代 GTO。 GTO：兆瓦以上首選 ， 制造水平 6kV / 6kA。 光控晶閘管 ：功率更大場合 ， 8kV / ， 裝臵最高達 300MVA， 容量最大 。 電力 MOSFET：長足進步 ， 中小功率領(lǐng)域特別是低壓 ， 地位牢固 。 功率模塊和功率集成電路 是現(xiàn)在電力電子發(fā)展的一個共同趨勢 。 當(dāng)前的格局 :