学习情境二+电力电子器件及其驱动保护
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 1.9 电力电子器件的驱动与保护
图1.9.18 GTR 缓冲电路
1.9.4 缓冲电路
图1.9.19所示是一种大功率开关器件GTR的缓冲电路。将无感电容器 C、快恢复二极管D和无感电阻R组成RCD缓冲吸收回路。
器件关断过程：电流经过C、D给无感电容器充电，使器件的UCE电压 缓慢上升，可有效地抑制过电压的产生；
器件开通过程：C上的电荷再通过电阻R经器件放电，可加速器件的 导通。
（3）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压
和过流，减小 、 减小开关损耗。
（4）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器 用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电 能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以 获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载 的电力质量。
2．GTO的驱动电路
开通：在门极加正驱动电流 关断：在门极加很大的负电流
图 1.9.6 GTO的 基本驱动电路
1.9.2 驱动电路
2. GTO的几种基本驱动电路：
1）图1.9.6(a) 晶体管Ｔ导通、关断过程： 电源Ｅ经Ｔ使GTO触发导通，电容Ｃ充电， 电压极性如图示。当Ｔ关断时，电容Ｃ放电， 反向电流使GTO关断。 Ｒ起开通限流作用，Ｌ在SCR阳极电流下降 期间释放出储能，补偿GTO的门极关断电流， 提高了关断能力。
图1.9.4 带隔离变压器的 SCR驱动电路
1.9.2 驱动电路
1．晶闸管SCR触发驱动电路
图1.9.5光耦隔离的SCR驱动 电路。
工作原理：当控制系统发出 驱动信号致光耦输入端时，光耦 输出电路中R上的电压产生脉冲 电流触发SCR导通。
图1.9.5 光耦隔离的SCR驱动电路
1.9.2 驱动电路
2) 功能:
① 提 供合 适 的 正反 向 基 流以 保 证 GTR 可靠导通与关断(期望的基极驱动电流波 形如图1.9.7 所示)。
电力电子技术：第二章 功率半导体器件的驱动与保护
2.1晶闸管的驱动与保护 2.2电流型自关断器件的驱动 2.3电压型自关断器件的驱动 2.4自关断器件的保护
晶闸管的驱动与保护
晶闸管的触发电路
1、触发脉冲要求 1) 触发信号可以是交流，直流或者脉冲形式 2) 触发脉冲信号应有一定的功率和宽度 3) 为保证串、并联晶闸管元件同时导通，触发脉冲还应有足够的强度和陡度 4) 触发脉冲应与主电路电源同步，并具备一定的移相范围 5) 触发电路应与主电路隔离，并具有强抗干扰能力
3 R2的选择 单结晶体管的峰值电压为：
UP = UD+ηUbb = UD+(Rb1/Rbb)Ubb 而其UD具有负电阻系数、Rbb正温度系数，即温度t↑→Rbb↑→UP↓。加 R2(零温度系数) 后有
t↑→Rbb↑→UR2 ↓→ Ub1b2 （ =E- UR2 ） ↑，即补偿了UD↓
晶闸管的驱动与保护
从而改变等效二极管VD的工况：
a) 0 Ue Ubb时，VD反偏截止； b) Ubb Ue Ubb VD时，VD虽正偏，但小于导通压降VD，故仍截止； c) Ue Ubb VD时，VD正偏导通,P区空穴不断注入N区，从而导致
Rb1 UA Ubb VD管PN结正偏 Ie (Ue ) R b1 ...正反馈
ε：电压升高系数，取1.05~1.1； 0.8~0.9为允许过压系数。
UY ：取决于保护元件耐压值，应不超过元件允许电压最大值。
晶闸管的驱动与保护
二、过电流保护 原因：过载，直流侧短路，触发，控制电路故障，环流，逆变失败 保护：1）交流进线电抗器，限制短路电流
2）电流检测，用过流信号控制触发电路（关断信号）或接触器（分断） 3）直流快速开关 4）快熔
接法与阻容同。
电力电子器件驱动电路和电力电子器件器件的保护
湖南省技工学校理论教学教案教师姓名：注：教案首页，教案用纸由学校另行准备湖南省劳动厅编制益阳高级技工学校(2) 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。
电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。
为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。
使MOSFET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可以减小寄生振荡。
(2) IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。
益阳高级技工学校三、电力电子器件器件的保护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操作过程等外因。
操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起；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）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，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。
过电压保护措施2 过电流保护过电流——过载和短路两种情况保护措施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，益阳高级技工学校益阳高级技工学校。
电力电子技术第2章 电力电子器件的驱动与保护
(b) (a)
图2-1 光电耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型
✓磁隔离的元件通常是脉冲变压器。
(c)
R：限流电阻
电力电子技术
4
2.1 电力电子器件的驱动电路
驱动电路分类
按驱动信号性质，可分为电流驱动型和电压驱动型。 具体形式可为分立元件、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。 首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。
2.1.1 晶闸管触发电路
VD11
~VD
14
220 V 36V
+15 V
R15
C7 + C6 B
VD 15
+Vc + 15 V
VD 7
TP VD8
R18
R14 R
13
VD9
脉冲信号
C5
R16
VD6
VT7
VT8
电力电子技术
21
2.1.1 晶闸管触发电路
同步信号为锯齿波的触发电路工作波形
u ST
ωt
R15
图2-3b）磁耦合隔离的晶闸管驱动电路
前进
电力电子技术
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2.1.1 晶闸管触发电路
3. 同步信号为锯齿波的触发电路
该电路可分为：脉冲形成与放大、锯齿波形成及脉冲移相、同步信 号处理
三个基本环节，以及双脉冲形成、强触发等环节。
同步 信号 同步
信号 处理
uK
锯齿 波形
成
脉冲 移相 控制
脉冲 形成 (单稳 态）
由阻断转为导通。 ✓触发信号可以是交流形式，也可直流形式，但它们对门极-阴极来 说必须是正极性的。 ✓为了减少功率，触发信号通常采用脉冲形式。 ✓往往包括相位控制电路。
第三章电力电子器件的驱动及保护
驱动GTR的集成
驱动电路：
THOMSON公司的 UAA4002和三菱公 司的M57215BL
+15V
A
V1
R1
R2
R3
V3 VD1
V2
C1
R4
V4 V5 C2
R5 V6
+10V
VD2
VD3
V
VD4 VS 0V
增大阻容保护中电阻值可以减小di / dt ，但会降低阻容保护对晶闸
管过电压保护的效果。在晶闸管回路串联电感是限制 di / dt 的有效方
法． 晶闸管的保护是关系到晶闸管装置能否安全可靠地运行的问题，但
对于保护装置的定量计算还没有成熟的和统一的计算方法，有待于进一 步研究和实践。
3.3 电力电子器件的缓冲电路
①串接交流进线电抗或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗能有效地限制短路 电流，保护晶闸管，但负载电流大时存在较大的交流压降。
图1-90 快速熔断器保护 a）桥臂晶闸管串接快熔 b）交流侧快熔 c）直流侧快熔
三、电压上升率 du / dt及其限制
晶闸管在阻断状态下存在结电容。当加在晶闸管上的正向电压上升率
2．直流侧过电压及其保护
直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，如图1-88所示，对 于容量较小装置，可采用阻容保护抑制过电压；如果容量较大，采用 阻容保护，将影响系统的快速性，此时应选择硒堆或压敏电阻保护。
图1-88 晶闸管直流侧过电压保护
3．晶闸管关断过电压及其保护
关断过电压保护最常用的方法是，在晶闸管两端并联RC吸收 电路，如图1-89所示。利用电容的充电作用，可降低晶闸管反向电 流减小的速度，吸收关断过电压，把它限制在允许范围内。实用时 为了防止电路振荡和限制管子开通损耗和电流上升率，阻容吸收电 路要尽量靠近晶闸管，引线要短最好采用无感电阻。
电力电子器件与驱动保护电路
电力电子器件与驱动保护电路电力电子器件与驱动保护电路第一节功率二极管一、常用功率二极管的分类1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。
其反向恢复时间较长，一般在5μs以上，这在开关频率不高时并不重要。
正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。
2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5μs以下）的二极管，也简称快速二极管，工艺上多采用了掺金措施。
适用于中等电压和电流范围，多用作高频开关使用。
3. 肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD）以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管。
它具有低导通电压和极短的开关时间。
但反向漏电流大和阻断电压低是其缺点，主要用于高频、低压的场合。
二、功率二极管的特性1、静态伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。
与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。
当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
2、快速二极管的动态特性(软恢复)因结电容的存在，开与关状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压——电流特性是随时间变化的。
开关特性反映通态和断态之间的转换过程。
关断过程：（图a）须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。
在关断 1Ib)Ua)RP之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。
tF时刻加反向电压，正向电流开始下降，下降速率由反向电压大小和电路电感决定，管压降由于电导调制效应基本不变，直至正向电流降为零的时刻t0。
此时由于PN结两侧空间电荷区的电荷储存效应而不能恢复阻断，外加电压抽取电荷形成较大反向电流，在空间电荷区附近电荷即将抽尽时管压降变负，于是开始抽取离空间电荷区较远的电荷，因而在管压降极性改变后不久的t1 时刻反向电流开始从最大值下降，空间电荷区展宽，二极管开始重新恢复反向阻断能力。
电力电子技术第二章全控型器件驱动与保护
-电力电子技术-
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自关断器件
浙江大学电气工程学院
三、电压型全控型器件的驱动 1. 功率场效应晶体管(MOSFET)的驱动
（4）专用驱动集成电路 IR21xx系列，IR2101、IR2110、2130等
-电力电子技术-
电容电压不突变，Uce 上升慢 R：限制GTR开通时电容放电 VD：GTR关断时将R短路
（b）开通吸收电路：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开 通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
LS：使iC上升慢 RS：GTR关断后，续流电流下降 VD：GTR通时，隔离RS旁路作用
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自关断器件
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自关断器件
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-电力电子技术-
2) 关断过程 电感作用，IC维持，直至Uce → UCC, VDF通，Ic才下降。
解决方法∶ 错开高电压、大电流出现时刻 采用缓冲电路（snubber circuit）， 又称吸收电路来实现
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自关断器件
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-电力电子技术-
（a）关断吸收电路：又称为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。
浙江大学电气工程学院
-电力电子技术-
（c）复合吸收电路：关断缓冲电路和开通缓冲电路结合 在一起
LS， Rs， VD 组成开通吸收电路
RS，VD，CS组成关断吸收电路
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自关断器件
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2. IGBT的保护 措施：
1）检测过流信号，切断栅极控制信号 2）吸收电路抑制过电压，限制 duce
第三章 电力电子器件的驱动和保护
同步 信号 为锯 齿波 的触 发电 路的 工作
V4
V6
此本电路可产生符合要求的双脉冲。
Ts VD1 VD2
R8
❖ 第一个脉冲由本相触发单元R 的uQco对应的控V2 制R角5 α使
R17
V4由
截
止
变
导
通
造
成
V5瞬
时截
uTs
止C，1
使R2得
V8
输C2
出
脉
冲。隔60度的第二个脉冲是由后一相触发单元通 up
过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第
❖ （b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于 触发要求不高的场合；
❖ （c）矩形脉冲； ❖ （d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触
发功能，适用于大功率场合；
❖ （e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率 高，用于控制精度较高，感性负载的装置；
❖ （f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。
三、脉冲电路与晶闸管的连接方式
❖ 移相范围：≥ 170(0 u s=30V， R=4 l5KΩ)；
C3
A
+-
4Y-5X、5Y-6X、6Y-R11 X。 V1
VD4
R10
I1C
V3
R6
R4
R7
V4
Ts VD1 VD2
R8
RQ
V2 R5