1-12.6

電力電子器件器件的驅(qū)動2.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述2.6.2晶閘管的觸發(fā)電路2.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路1-22.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設計在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務：按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。驅(qū)動電路——主電路與控制電路之間的接口1-32.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述

驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。

光隔離一般采用光耦合器

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型1-42.6.1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1-52.6.2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)為導通。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。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。tIIMt1t2t3t4圖1-26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（1.5IGT~2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路1-62.6.2晶閘管的觸發(fā)電路V1、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)。

V1、V2導通時，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1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路1-72.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動電路(1)GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似。GTO關斷控制需施加負門極電流。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1)

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。1-82.6.3

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。目前應用較廣，但其功耗大，效率較低。典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路＋5VC2C3D2D3倍壓＋15V-15V強脈沖平脈沖關斷脈沖無控制時負壓關斷1-92.6.3

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。關斷時可用0電壓，但加一定幅值的負驅(qū)動電壓（一般取-5~-10V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻5～10W可以減小寄生振蕩。2)電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路1-102.6.3

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電力MOSFET的一種驅(qū)動電路專為驅(qū)動電力MOSFET而設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。

1-112.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動電路(2)IGBT的驅(qū)動

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EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。

多采用專用的混合集成驅(qū)動器。IGBT絕緣柵較薄，過高的門極驅(qū)動電壓（>30V)可能導致?lián)舸?應用中應注意防止驅(qū)動布線電感引起的電壓振蕩1-12IGBT驅(qū)動技術要點一定幅值的正反向門極驅(qū)動電壓：正壓越大，導通壓降越小，通態(tài)損耗越小，但同時也使承受短路電流時間變短，可能引起振蕩使門極損壞。一般不允許超過＋20V。關斷反壓一般為－5～－15V。負壓關斷可減少關斷損耗，提高可靠性。電隔離、信號傳輸延時可忽略。門極回路必須串聯(lián)合適門極電阻，控制門極電壓的前后沿陡度：減小可降低開關損耗，但同時增大開通時的di/dt，增加續(xù)流二極管恢復時的浪涌電壓。一般取9～30歐姆。具有過壓、短路、du/dt保護功能。1-13常用IGBT混合集成驅(qū)動電路TLP520/530

光電隔離、可直接驅(qū)動50A/1200V以內(nèi)IGBT。M57962L

含過流保護，光電隔離。可直接驅(qū)動600V/400A,1200V/400A以內(nèi)IGBT。SCALE系列集成驅(qū)動器【瑞士】可驅(qū)動400～1200A/1700VIGBT模塊接口簡單，可處理5～15V標準邏輯電平信號，單15V電源。開關頻率0～100KHz。具有過流、短路保護EXB系列（EXB850/851/840/841)：標準10kHz,高速40kHz。光電隔離，單電源，過流保護。可驅(qū)動600V/150A~400A,1200V/75A~300AIGBT模塊。1-142.7電力電子器件器件的保護2.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護【閱讀】2.7.2過電流保護【閱讀】2.7.3緩沖電路1-152.7.3

緩沖電路關斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。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。復合緩沖電路——關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斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。緩沖電路(SnubberCircuit)

：

又稱吸收電路，抑制器件的過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。1-16b)tuCEiCOdidt抑制電路無時didt抑制電路有時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC1.7.3

緩沖電路緩沖電路作用分析無緩沖電路：有緩沖電路：圖1-38

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ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO

圖1-39關斷時的負載線關斷時負載電流通過二極管向電容分流減輕V的負擔，抑制du/dt和過電壓。開通時電容為V提供初始電流。抑制開通時V電流的迅速上升，同時在關斷時提供放電回路。1-171.7.3

緩沖電路充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合。

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。另外兩種常用的緩沖電路RC吸收電路放電阻止型RCD吸收電路1-18關斷的RCD緩沖無緩沖時，關斷前電流為I0,給VT適當?shù)年P斷信號，VT開始關斷，端電壓假定線性上升，在等于電源電壓前，續(xù)流管反偏不能導通，因此VT繼續(xù)流過電流I0。管壓略高于電源電壓后，D1導通續(xù)流，管電流線性（假定）下降到0完成關斷。有緩沖時，關斷前電流為I0,給VT適當?shù)年P斷信號，VT開始關斷，因端電壓上升到等于電源電壓前，續(xù)流管反偏不能導通，隨功率開關電流下降，電流I0被逐漸轉(zhuǎn)移到緩沖回路。假定管電流線性下降，則管壓等于電容電壓按電容充電常數(shù)上升。直到充達略高于電源電壓，使續(xù)流管D1導通。最大電壓上升率發(fā)生在電流降為0時；max(duvt/dt)=I0/C當器件要求控制最大電壓上升率時可據(jù)此選擇電容。電阻限制電容放電電流抑制開通時管電流沖擊，并消耗電容儲能。1-19IGBT的緩沖電路正常感性負載下，IGBT開關環(huán)境相當惡劣緩沖電路基本形式布線電感開通緩沖關斷緩沖無緩沖關斷：SWUZV,損耗大關斷過壓開通VbWS,損耗也較大1-20關斷換流期特點T-CS換流(f,g)CS-D0換流(h,I,j)關斷損耗顯著降低1-21開通換流期特點uce線性下降,iL緩升。t=2,iL<<I0,uce=0,uL=Ud,iL線性上升。因開通緩沖需在主電流通道串入電感，大功率條件下會顯著增加變換器體積和能耗，一般較少采用。但布線電感總是存在的。1-22一種常見的橋臂結(jié)構(gòu)緩沖電路

假定負載電感充分大，輸出電流基本i0恒定。1-23T1導通區(qū)(a)：

1-241-25CS放電（d）

參數(shù)選擇：電路特點：關斷過電壓可有效抑制；Cs不經(jīng)導通器件放電；關斷電壓上升率不能抑制。其它電路電壓雙象限、四象限橋式

1-26小結(jié)：緩沖電路的主要作用是抑制器件在開關過程中可能出現(xiàn)的過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。1-272.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用【略】2.8.1晶閘管的串聯(lián)2.8.2晶閘管的并聯(lián)2.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點1-282.8.1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：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。1-292.8.1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的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2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。1-302.8.2

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)來承擔較大的電流1-312.8.3電力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)。電路走線和布局應盡量對稱?？稍谠礃O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1/2或1/3額定電流以上的區(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1-32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

復合型：IGBT和MCT1-33

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：

特點：具有電導調(diào)制效應，因而通態(tài)壓降低，導通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動功率大,驅(qū)動電路較復雜。電壓驅(qū)動型：1-34本章小結(jié)重點掌握：電力二極管特性，特別是反向恢復電流的形成原因、特點、典型恢復時間；晶閘管的導通、關斷條件；MOSFET和IGBT的工作特點、開關特性，開關、通態(tài)損耗與計算、各自的優(yōu)缺點、主要參數(shù)與最佳使用場合，對驅(qū)動的要求。緩沖電路的作用、RCD緩沖原理。1-35

本章小結(jié)

IGBT為主體，第六代產(chǎn)品，制造水平4.5kV/4.8kA，兆瓦以下首選。仍在不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競爭，目前已在兆瓦級取代GTO。GTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA。當前逐漸受到IGCT挑戰(zhàn)。光控晶閘管：功率更大場合，8kV/3.5kA，裝置最高達300MVA，容量最大。電力MOSFET：長足進步，中小功率領域特別是低壓【100V范圍】，地位牢固，正向600V拓展。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。當前的格局:1-36功率電子的主要國際期刊和會議期刊：IEEETransactionson～AerospaceandSyatems～IndustrialElectronics～IndustryApplications～PowerElectronics會議：AppliedPowerElectronicsConference(APEC)EuropeanPowerElectronicsConference(EPEC)IEEEIndustrialElectronics