电力电子器件保护

a) a) 伏安特性差异
b)
b) 串联均压措施
图1-41
1.8.2
1. 概述
晶闸管的并联
1) 目的：多个器件并联来承担较大的电流 2) 问题：静态和动态特性参数差异→电流分配不均匀 2. 均流措施 • 选用特性参数尽量一致的器件 • 采用均流电抗器 • 用门极强脉冲触发也有助于动态均流 • 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串 后并的方法联接方法
• 内因过电压 电力电子装置内部器件的开关过程引起 (1) 换相过电压 原因: 线路电感→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→两端 感应出高电压。 (2) 关断过电压 原因: 全控型器件关断时，正向电流迅速降低→线路电感 →器件两端感应出的过电压。
1.7.2
过电流保护
1. 过电流形式—过载和短路 过电流原因举例 电网电压波动过大； 内部管子损坏或触发电路故障，引起两相短路；
整流电路直流侧出现短路、逆变失败引起短路；
环流过大、控制系统故障。
1.7.2
过电流保护
变压器 电流互感器 快速熔断器 变流器 直流快速断路器 负载
2. 常用保护措施
混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SIT H 晶闸管
T TO RC G LT T
功率SIT 极
（
复 合 型
GT R
型
肖特基势垒二极管 型
I 电力二极管 AC
TR
• 双极型：电力二极管、晶闸管、 GTO、GTR和SITH • 复合型：IGBT和MCT
电力电子器件分类“树” 图1-42
本章小结
• 电压驱动型
3) 复合缓冲电路 关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合 4) 其他分类法： 耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 （无损吸收电路） 3. 缓冲电路作用分析 1) RCD缓冲电路 •无缓冲电路影响 V开通时电流迅速上升,di/dt很大 关断时du/dt很大,产生高过电压
Ri VDi Li
di 抑制电路 dt
1.7.2
过电流保护
2) 过电流保护电子电路 用电子电路进行过电流保护→响应快
。
适应: 重要的且易发生短路的晶闸管设备或全控型器 件(很难用快熔保护), 3) 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，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实 现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
缓冲电路 V Rs
L VD
di/dt抑制电路和
a)
VDs
Cs
• RCD缓冲电路另一接法(用于中大容量器件) L L Rs Cs 电路 缓冲电路 缓冲电路 Ed Ed Cs Rs
VDs
E
负载
负载
RCD吸收电路 RC吸收电路 b) a) 2) RC吸收电路(主要用于小容量器件) 图1-40
图1-40
1.7.3
缓冲电路 V Rs
L VD
a)
VDs
Cs
1.7.3
缓冲电路（Snubber Circuit）
Ri VDi Li di 抑制电路 dt
• 缓冲电路作用
V开通时: Cs经Rs向V放电→加快V开通 Li作用→iC上升速度减慢。
V关断时： 负载电流通过 VDs 经 Cs 分流 →流过 V 电流减少→抑制了 du/dt和过电压。
特点：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工 作频率高.
电流驱动型
特点：具有电导调制效应→通态压降低→导通损耗小 工作频率较低，驱动功率大，驱动电路较复杂.
本章小结
当前技术状况
• IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.4kA / 6.5kV 150KHZ，
兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争， 试图在兆瓦以上取代GTO.
• 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。 • 在上述区段具有正温度系数→并联使用时也具有电流 的自动均衡能力→易于并联。
本章小结
1. 主要内容 • 主要电力电子器件的 基本结构、工作原理、 基本特性和主要参数等 • 电力电子器件的驱动、 功率MOSFET 单 保护和串、并联使用 2. 电力电子器件类型 • 单极型：电力MOSFET和SIT
交流断路器 电流检测 过电流 继电器 短路器 动作电流 整定值 开关电路 触发电路
电子保护电路
过电பைடு நூலகம்保护措施及配置位置
图1-37
1) 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。
选择快熔原则：
(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。
(2) 电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联
结形式确定。 (3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值。 (4) 为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。
缓冲电路（Snubber Circuit）
4. 缓冲电路中的元件选择要求
• Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册。 • VDs快恢复二极管，额定电流≮主电路器件的1/10。 • 尽量减小线路电感，用内部电感小的吸收电容。
• 中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧 du/dt抑制电路。
• 对IGBT可以仅并联一个吸收电容。
1.7
电力电子器件器件的保护
1.7.1 过电压的产生及过电压保护
1.7.2 过电流保护 1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）
1.7.1
过电压的产生及过电压保护
1.电力电子装置过电压 1) 过电压原因 • 外因过电压 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 一、二次绕组间存在分布电容，一次侧合闸瞬间，高压 通过分布电容耦合到二次侧，使二次侧出现过电压。 突然断开一次侧开关，产生很大的感应电动势，二次侧 感应出市电压。 其它设备分断时，变压器漏抗和线路分布电感形成过电 压，施加于晶闸管。 (2) 雷击过电压：由雷击引起
• 晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过 电压，关断时也没有较大的 du/dt ，一般采用 RC吸收 电路。
1.8
电力电子器件器件的串联和并联使用
1.8.1 晶闸管的串联
1.8.2 晶闸管的并联 1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点
1.8.1
1. 概述
晶闸管的串联
目的:当晶闸管额定电压小于要求时→串联解决 问题: 要求器件均压→特性分散性→器件电压分配不均匀
2. 不均压影响
1) 失控: 承受电压高的器件先达到转折电压而导通→另一 个器件承担全部电压也导通 2) 反向击穿: 承受反压高器件先击穿→另一个随之击穿
1.8.1
3. 静态均压措施
晶闸管的串联
I VT1 VT2 IR O UT1 UT2 U VT2 RP VT1 RP R C R C
•选用参数和特性尽量一 致的器件 •均压电阻阻值应远小于 器件阻断时的正、反向 电阻
1.7.1
过电压的产生及过电压保护
Ca Ra Ca Ra
网侧
Ca R a
Ca R a
-
Rdc a)
Cdc
直流侧
阀侧
RC过电压抑制电路联结方式 b)
+
-
Rdc
Cdc
+
说明: RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供 电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力 电子电路的直流侧。
3)其他措施：
1.7.3
缓冲电路（Snubber Circuit）
1. 缓冲电路(吸收电路)作用 抑制器件的内因过电压、dv/dt、过电流和di/dt，减小器 件的开关损耗。 2. 缓冲电路类型 1) 关断缓冲电路（du/dt 抑制电路） —— 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。。 2) 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的 电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
• GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kA / 6kV。
• 光控晶闸管：功率更大场合， 3.5kA / 8kV ，装置最高达
300MVA，容量最大(8KA/12KV).
• 电力 MOSFET ：长足进步，中小功率领域特别是低压，地 位牢固.
用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管 （BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压
1.7.1
过电压的产生及过电压保护
• 大容量电力电子装置可采用下图所示的反向阻断式RC 电路
电力电子装置
R1 过电压抑制电路 C1
C2
R2
反向阻断式过电压抑制用RC电路 图1-36 • 保护电路参数计算可参考相关工程手册
1.8.3
电力MOSFET和IGBT并联运行的特点
3. 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 • 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 • 在源极电路中串入小电感→均流电抗器作用
4. IGBT并联运行的特点
1.7.1
过电压的产生及过电压保护
T SDC LB M U F C RV RC3 RC2 D RC1 过电压抑制措施及配置位置 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压 图1-34 RC4 RCD
2. 过电压保护措施
S
F避雷器 抑制电容
1) 常用保护电路 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 • RC3和RCD→抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴 2) RC过电压抑制电路联结方式