电力电子应用技术第十讲驱动与保护
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电力电子技术的应用
电力电子技术的应用电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。
它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。
随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等血多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。
电力电子技术是近几年迅速发展的一种高新技术，广泛应用于机电一体化、电机传动、航空航天等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。
它不仅应用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。
以下分几个主要应用领域加以叙述。
一、一般工业工业中大量应用各种交直流电动机。
直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。
近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。
大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合都广泛采用电力电子交直流调速技术。
一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
还有些不调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。
电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。
电镀装置也需要整流电源。
电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。
电力电子技术在一般工业中的应用最主要的就是电机调速传动和电源。
电机调速传动又分工艺调速传动和节能调速传动两大类：工艺调速传动指工艺要求必须调速的传动，例如轧机，矿井卷扬，机床，造纸等以前用直流电动机驱动的机械的传动。
节能调速指风机、泵等以前不调速，为节能而改用调速。
二、交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术。
阮新波电力电子技术教学课件
数字化与智能化
采用数字化控制技术，实现电 力电子设备的智能化管理和优 化控制。
绿色化与可持续发展
关注环保和可持续发展，推动 电力电子技术的绿色化进程。
37
THANKS
感谢观看
REPORTING
2024/1/29
38
3
电力电子技术的定义与发展
定义
电力电子技术是一门研究利用半导体器件对电能进行转换和控制的学科。
发展历程
自20世纪50年代晶闸管问世以来，电力电子技术经历了多次变革，从最初的整 流器时代到逆变器时代，再到如今的变频器时代，技术不断升级，应用领域也 不断扩展。
2024/1/29
4
电力电子技术的应用领域
13
半控型器件
01
工作原理及特性
2024/1/29
02
驱动电路与保护电路
03
主要参数与选型
14
04
应用举例
全控型器件
2024/1/29
01
电力场效应晶体管（Power MOSFET）
02
工作原理及特性
驱动电路与保护电路
03
15
全控型器件
主要参数与选型
1
应用举例
2
3
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）
2024/1/29
22
有源逆变电路
工作原理
有源逆变电路是指将直流电能转换为交流电能，同时需要外部能源来驱动开关器件工作
的电路。其工作原理是通过控制开关器件的通断，将直流电源逆变为交流电源。
特点
有源逆变电路具有输出电压稳定、波形质量好、可控性强等优点。但需要外部能源驱动 ，效率相对较低，且成本较高。
电力电子技术(完整幻灯片PPT
1-3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力电子技术(完整幻灯片 PPT
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
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电力电子技术课件：第5章 开关管的驱动缓冲和保护电路
件上的电压或电流峰值以及开关损耗，将其开关瞬间过程限制在
器件的安全工作区内。
Power Electronics
（3）保护电路 • 功率器件和电路在工作过程中，由于电路内部或外部 的原因，可能发生过流、过压、过热等故障。 • 检测出故障状态，关断护开关管，则可以避免开关管 和电路的损坏、保证工作安全。
• 开关器件开通和关断的瞬间过程中，承受很大的du/dt或di/dt， 在电路寄生电感和寄生电容的作用下，将使开关器件承受很高的 电流(Cdu/dt) 或电压（Ldi/dt ）应力；
• 器件在开通和关断的过程中电流和电压波形交叠，产生很大的 瞬时功耗（开关损耗）。
• 缓冲电路(或称吸收电路)作用：减小du/dt或di/dt，降低开关器
第5章 开关管的驱动、缓冲和保 护电路
主要内容：
❖ 5.1 概述 ❖ 5.2 驱动电路 ❖ 5.3 缓冲电路 ❖ 5.4 保护电路
Power Electronics
5.1 概述
（1）驱动电路
• 驱动电路是连接控制电路和功率开关器件的桥梁，它 将控制信号放大到驱动功率开关所要求的水平；有时候 还要求驱动电路的输入输出端是电气隔离的。
ig
驱动电流 Ig≈UD/Rg (a) 电平触发
ig
(b) 脉冲触发
图5-1 反相放大触发电路
Power Electronics
ig
ig
(a) 强触发电路
(b) 工作波形
图5-2 强触发电路及触发电流波形
Power Electronics
5.2.2 双极性晶体管（BJT）的驱动
1. 对驱动电路的要求 电流性控制器件 1）晶体管开通时，驱动电路提供的基极电流应具有陡 峭的上升沿，并有一定的过冲，以加速开通的过程 2）导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情 况下都能保证功率管处于饱和导通状态，使功率管的饱 和压降较低，以保证较低的导通损耗。但是，为减小存 储时间，希望在功率管将要关断前处于临界饱和状态。 3）关断瞬间，驱动电路应提供足够的反向基极驱动， 以迅速抽出基区的剩余载流子，减小存储P时ow间er Electronics
电力电子装置设计与应用10
实际选择二极管的反向耐压应高于VR的1.5~2倍，因此 实选反向耐压200V的超快速恢复二极管。 处在高频方波电压下工作的二极管，由于电路结构及器 件本身分布参数的原因，其两端工作电压波形前后沿存在较 严重的过冲现象，如图所示：
使器件正常工作受到威胁，
也是电磁干扰的原因之一。 为了改善这一状况，一般情况 下可在二极管两端加RC吸收元 件。
Km
2、变压器和线圈的结构参数 （1）铜线占空系数
铜线占空系数定义
线圈绕制因数
（2）平均匝长
1）线圈平均匝长
线圈平均匝长
2）各绕组平均匝长
各绕组平均匝长
（3）变压器表面积 变压器表面积（或称散热面积）包括线圈散热面积和 磁芯散热面积，磁芯散热面积是指扣除被线圈遮盖面积 以外的其余部分磁芯面积，线圈散热面积是指扣除被磁 芯遮盖以外其余部分的线圈面积，线圈在窗口内绕满。 （4）磁芯结构常数
4、输出整流电路 输出整流电路如图所示：
这里的二极管D必须使用快速恢复二极管。这种二极 管的开关特性好，反向恢复时间短，通常在开关电源中作 输出整流用。 快速恢复二极管的特点是它的反响恢复时间很短。定义 为：二极管从正向导电状态急剧转换到截止时，管中输出电 流下降到零开始，至反向电流恢复到最大反向电流的10%所 需的时间，用trr表示。
V
考虑输入整流电路，直流滤波电路等的内阻影响。EL 实际取450（V）。
m2
VP 35V
VCE SET 3
K 1.03
VD 1V
450 2 3 N 12 1.03 35 1
2 E H 592 2 99 V 则： VR N 12
需考虑两个问题：当输入电压达到设计最高值时，磁 芯不饱和；变压器总损耗产生的温升满足要求。
(2024年)电力电子技术第5版王兆安课件
调制法
该方式通过调制信号（如正弦波）与高频载波（如三角波）进行比较生成PWM脉冲。优 点是生成的PWM脉冲频率高、波形好且易于实现实时控制。缺点是对于非线性负载的适 应性较差。
32
07
电力电子系统的设计与应用
2024/3/26
33
电力电子系统的设计原则与方法
2024/3/26
设计原则
确保系统稳定性、高效性、可靠性和 安全性；满足特定应用需求；优化成 本和性能。
2024/3/26
6
02
电力电子器件
2024/3/26
7
不可控器件
电力二极管（Power Diode）
结构和工作原理
伏安特性
2024/3/26
8
不可控器件
主要参数
晶闸管（Thyristor）
结构和工作原理
2024/3/26
9
不可控器件
伏安特性和主要参数
派生器件
2024/3/26
10
半控型器件
2024/3/26
36
感谢您的观看
THANKS
2024/3/26
37
26
电压型和电流型逆变电路
电压型逆变电路
电压型逆变电路的输出电压波形为矩 形波或正弦波，其特点是输出电压幅 值和频率可调，适用于对输出电压要 求较高的场合。
电流型逆变电路
电流型逆变电路的输出电流波形为矩 形波或正弦波，其特点是输出电流幅 值和频率可调，适用于对输出电流要 求较高的场合。
2024/3/26
工业自动化
应用于电机驱动、电源供 应、过程控制等领域，提 高生产效率和能源利用率 。
35
电力电子系统的发展趋势与挑战
发展趋势
该方式通过调制信号（如正弦波）与高频载波（如三角波）进行比较生成PWM脉冲。优 点是生成的PWM脉冲频率高、波形好且易于实现实时控制。缺点是对于非线性负载的适 应性较差。
32
07
电力电子系统的设计与应用
2024/3/26
33
电力电子系统的设计原则与方法
2024/3/26
设计原则
确保系统稳定性、高效性、可靠性和 安全性；满足特定应用需求；优化成 本和性能。
2024/3/26
6
02
电力电子器件
2024/3/26
7
不可控器件
电力二极管（Power Diode）
结构和工作原理
伏安特性
2024/3/26
8
不可控器件
主要参数
晶闸管（Thyristor）
结构和工作原理
2024/3/26
9
不可控器件
伏安特性和主要参数
派生器件
2024/3/26
10
半控型器件
2024/3/26
36
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2024/3/26
37
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电压型和电流型逆变电路
电压型逆变电路
电压型逆变电路的输出电压波形为矩 形波或正弦波，其特点是输出电压幅 值和频率可调，适用于对输出电压要 求较高的场合。
电流型逆变电路
电流型逆变电路的输出电流波形为矩 形波或正弦波，其特点是输出电流幅 值和频率可调，适用于对输出电流要 求较高的场合。
2024/3/26
工业自动化
应用于电机驱动、电源供 应、过程控制等领域，提 高生产效率和能源利用率 。
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电力电子系统的发展趋势与挑战
发展趋势
电力电子技术的应用(ppt68页).pptx
Ce n] 2U 2
三峡大学电气与新能源学院
(10-9)
10
10.1.2 工作于有源逆变状态时
a 增大方向
增大方向
逆变电流断续时电动机的机械特 性，与整流时十分相似：
理想空载转速上翘很多，机械特 性变软，且呈现非线性。 逆变状态的机械特性是整流状态 的延续。
纵观控制角 a变化时，机械特性得
变化。
ia
ib
ic
O
wt
图10-1 三相半波带电动机负载且 加平波电抗器时的电压电流波形
三峡大学电气与新能源学院
4
10.1.1 工作于整流状态时
此时，整流电路直流电压的平衡方程为
U d EM R Id U
（10-1）
式中，
R
RB
RM
3X B
2
。
EM 为电动机的反电动势
RId 负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：
三峡大学电气与新能源学院
2
10.1 晶闸管直流电动机系统·引言
晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装
置带直流电动机负载组成的系统。
是电力拖动系统中主要的一种。 是可控整流装置的主要用途之一。
对该系统的研究包括两个方面：
其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。 其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本
率由于内阻不一定相同而稍有差异。
a1<a2<a3
a3
调节a 角，即可调节电动机的转速。 O
Id
图10-2 三相半波电流连续时以
三峡大学电气与新能源学院
电流表示的电动机机械特性
6
10.1.1 工作于整流状态时
2) 电流断续时电动机的机械特性
机工社2023电力电子技术 第6版教学课件第9章 电力电子器件的应用技术
电子保护电路
图9-15 过电流保护措施及配置位置
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。
21
9.2.2 过电流保护
快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种
19
9.2.1 过电压的产生及过电压保护
过电压保护措施
图9-12 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
9.1.4 典型宽禁带器件的驱动电路
氮化镓场效应晶体管（GaN FET）和碳化硅场效应晶体 管（SiC FET）是目前两类典型的基于宽禁带材料的全控 型器件，均属于电压驱动型器件。 宽禁带器件开关速度更快，需要选用速度更快、延时更小 的驱动电路。同时由于其栅极对电压噪声更加敏感，对驱 动电压噪声的控制要求则比硅基器件更加严格。原因为：
挑选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。
30
9.3.4 电力MOSFET的并联和IGBT的并联
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。
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IGBT(MOSFET)驱动技术
Ø IXDD404原理框图 Ø 短路试验连接图
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
IGBT(MOSFET)驱动技术
Ø TC428基本原理框图
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
IGBT(MOSFET)驱动技术
Ø IGBT驱动电路要求：
1. 采用正负值驱动电压向栅源极供电，保证 开关管可靠开通和关断。
驱动电路与功率器件一起工作，成为弱电 控制强电的关键。
电力电子应用技术第十讲驱动与保护驱动电Βιβλιοθήκη 概述Ø 一般驱动电路的特点：
1. 电气隔离 2. 驱动功率 3. 检测保护 4. 故障反馈 5. 集成度与可靠性
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
Ø 常用的驱动电路实物展示：
驱动电路概述
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
2SD315 原理框图
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
Ø SKHI22A
IGBT(MOSFET)驱动技术
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
Ø 6SD312
IGBT(MOSFET)驱动技术
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
IGBT(MOSFET)驱动技术 Ø IGBT(MOSFET)驱动电路设计实例 1. 在开始设计之前全面了解所选器件的参数 2. 在线路设计阶段必须进行热设计,保证器
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晶闸管与IGCT驱动技术
Ø 晶闸管与IGCT同属于闸流管类；IGBT和 MOSFET属于晶体管类。
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晶闸管与IGCT驱动技术 Ø 晶闸管驱动
门极触发电路要求： 1. 保证脉冲宽度 2. 保证脉冲幅度和陡度 3. 保证脉冲功率
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
1、Ciss对驱动电路影响最大 2、Coss对输出电压的波形有影响。 3、Crss使得漏极的电压变化对门极产生影响。
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3.3 IGBT(MOSFET)驱动技术
ØSTEP2.功率损耗计算
1、确定输入电容CIN CIN ≈ 3---5• CISS 2、输入电容储存能量W
W = ½ • CIN• ∆V2 3、驱动器件所需功率P
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驱动电路概述
Ø 驱动电路与功率器件连接展示：
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
驱动电路概述 Ø驱动电路基本原理：
按照控制信号到功率器件门控极的连接方 式分为直接驱动和隔离驱动
直接驱动法
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驱动电路概述
光电耦合隔离驱动方式
变压器隔离驱动方式
IGBT(MOSFET)驱动技术
Ø MOSFET驱动电路要求：
1. 开关管开通瞬时, 提供足够大电流使MOSFET栅源极 电压迅速上升,保证开关管快速开通且不存在上升沿高 频振荡;
2. 开关管导通期间保证MOSFET栅源极间电压保持稳定 3. 关断瞬间能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET
栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断 4. 关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到
两路驱动集成模块
3. 6SD312、 SKHI61 六路驱动集成模块
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
Ø 厚膜驱动电路
IGBT(MOSFET)驱动技术
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
Ø M57962L原理图
IGBT(MOSFET)驱动技术
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Ø 集成驱动模块
IGBT(MOSFET)驱动技术
干扰产生误导通
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IGBT(MOSFET)驱动技术 ØMOSFET驱动
常用的MOS驱动器： IR2110 自举隔离 IXDD404 相同两路 TC428 互补两路
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IGBT(MOSFET)驱动技术
Ø IR2110典型连接电路
基本原理框图
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
2. 降低驱动电路阻抗，以提高栅极充电放电 速度，从而提高逆变主回路和控制电路的 开关速度。
3. 保证主电路与控制电路隔离。具有较强的 抗干扰能力。
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
IGBT(MOSFET)驱动技术 Ø 常用IGBT驱动器
1. M57962L 、EXB841 单路驱动厚膜电路 2. 2SD315、SKHI22AH4
件工作在安全工作区 3. 尽量缩短开关时间，将开关损耗降到最低
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
3.3 IGBT(MOSFET)驱动技术
➢STEP1. 器件选型
除了了解器件的耐压电流 等容量参数，还需特别注意 寄生电容和引线电感对开关 波形的影响
Ciss=Cgs+Cgd Crss=Cgd Coss=Cgd+Cds
P = fc • CIN • ∆V2
或者 P = fc • Q • ∆V
4、确定门极输入电流IG
IG ≈ ∆V / RG
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
IGBT(MOSFET)驱动技术
Ø 设计一个工作频率5khz，200A电流耐量的 IGBT驱动电路。（BSM200GB120DN2)
1、CIN ≈ 3---5• CISS ≈5 • 13 nF,= 65nF 2、P = fc • CIN • ∆V2 = 5k • 65n • 900 = 0.2925W 3、IG ≈ ∆V / RG= 30/4.7=6.4A 4、设计IGBT驱动电压为+15V，考虑驱动电路 的自身损耗，驱动功率加上0.5--1w的余量
电力电子应用技术第十 讲驱动与保护
2020/11/27
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
Ø 驱动电路概述 Ø 晶闸管与IGCT驱动技术 Ø MOSFET与IGBT驱动电路设计应用 Ø 半导体器件应用中的保护技术
电力电子应用技术第十讲驱动与保护
驱动电路概述
驱动电路是连系控制信号与功率信号的桥 梁，是控制电路与主电路的接口。要充分发挥 功率器件的优良性能，就必须了解驱动电路的 特点。
IGBT(MOSFET)驱动技术
Ø MOS与IGBT是门控电压型器件，工作频率 相对较高。驱动电路功率要求较低，频率要 求较高。
Ø 对于小功率低压的MOSFET，一般可以直接 驱动或者通过带自举电路的供电方式进行电 压隔离工作
Ø 对于中大功率高压IGBT，一般采用电磁或光 电隔离的驱动方式工作
电力电子应用技术第十讲驱动与保护