PowerElectronics電力電子技術(shù)(第5版)第1章電力電子器件1.9電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電力電子電路的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)與控制包括如下內(nèi)容：（1）電力電子開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)器接收控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開關(guān)管，控制開關(guān)器件的通、斷狀態(tài)。（2）過流、過壓保護(hù)：包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。（3）緩沖器：在開通和關(guān)斷過程中防止開關(guān)管過壓

和過流，減小、減小開關(guān)損耗。（4）濾波器：在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器用來濾除輸出電壓或電流中的交流分量以獲得平穩(wěn)的直流電能；在輸出交流的電力電子系統(tǒng)中濾波器濾除無用的諧波以獲得期望的交流電能，提高由電源所獲取的以及輸出至負(fù)載的電力質(zhì)量。

（5）散熱系統(tǒng)：散發(fā)開關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，減小開關(guān)器件的熱心力，降低開關(guān)器件的結(jié)溫。

（6）控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)電力電子電路的實(shí)時(shí)、適式控制，綜合給定和反饋信號(hào)，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號(hào)，開機(jī)、停機(jī)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。1.9.1電力電子器件的換流方式

驅(qū)動(dòng)電力電子器件，就是要實(shí)現(xiàn)器件的換流。

在圖1.9.1中，T1、T2表示由兩個(gè)電力半導(dǎo)體器件（用理想開關(guān)模型表示）組成的導(dǎo)電臂，當(dāng)T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通時(shí)，電流i流過T2;當(dāng)T2關(guān)斷，T1導(dǎo)通時(shí)，電流i從T2轉(zhuǎn)移到T1。電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過程稱為換流。圖1.9.1橋臂的換流一般來說，換流方式可分為以下幾種：

（1）器件換流：利用電力電子器件自身所有的關(guān)斷能力進(jìn)行換流。

（2）電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移。1.9.1電力電子器件的換流方式

（3）負(fù)載換流：有負(fù)載提供換流電壓，使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移。

（4）脈沖換流：設(shè)置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，控制電力電子器件實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流。圖1.9.2給你了脈沖電壓換流的電路原理圖，圖1.9.3為脈沖電流換流原理圖。

圖1.9.2脈沖電壓換流原理圖圖1.9.3脈沖電流換流原理圖

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)。對半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。對全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。在高壓變換電路中，需要時(shí)控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實(shí)現(xiàn)。作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，決定每個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻。圖1.9.4為基于脈沖變壓器PT和三極管放大器的驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)加至三極管放大器后，變壓器PT輸出電壓經(jīng)D2輸出脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零后，D1、DZ續(xù)流，PT的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽和。1.9.2驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.4帶隔離變壓器的

SCR驅(qū)動(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)致光耦輸入端時(shí)，光耦輸出電路中R上的電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路1.9.2驅(qū)動(dòng)電路開通：在門極加正驅(qū)動(dòng)電流關(guān)斷：在門極加很大的負(fù)電流2．GTO的驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.6GTO的基本驅(qū)動(dòng)電路1.9.2驅(qū)動(dòng)電路1）圖1.9.6(a)晶體管Ｔ導(dǎo)通、關(guān)斷過程：電源Ｅ經(jīng)Ｔ使GTO觸發(fā)導(dǎo)通，電容Ｃ充電，電壓極性如圖示。當(dāng)Ｔ關(guān)斷時(shí)，電容Ｃ放電，反向電流使GTO關(guān)斷。Ｒ起開通限流作用，Ｌ在SCR陽極電流下降期間釋放出儲(chǔ)能，補(bǔ)償GTO的門極關(guān)斷電流，提高了關(guān)斷能力。該電路雖然簡單可靠，但因無獨(dú)立的關(guān)斷電源，其關(guān)斷能力有限且不易控制。另一方面，電容Ｃ上必須有一定的能量才能使GTO關(guān)斷，故觸發(fā)Ｔ的脈沖必須有一定的寬度。

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.6(a)

2.GTO的幾種基本驅(qū)動(dòng)電路：2)圖1.9.6(b)導(dǎo)通和關(guān)斷過程：

導(dǎo)通：Ｔ1、Ｔ2導(dǎo)通時(shí)GTO被觸發(fā)；關(guān)斷：Ｔ1、Ｔ2關(guān)斷和SCR１、SCR２

導(dǎo)通時(shí)GTO門極與陰極間流過負(fù)電流而被關(guān)斷；由于GTO的開通和關(guān)斷均依賴于一個(gè)獨(dú)立的電源，故其關(guān)斷能力強(qiáng)且可控制，其觸發(fā)脈沖可采用窄脈沖；

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.6(b)2.GTO的幾種基本驅(qū)動(dòng)電路：

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路

導(dǎo)通和關(guān)斷用兩個(gè)獨(dú)立的電源，開關(guān)元件少，電路簡單。

對于300A以上的GTO，用此驅(qū)動(dòng)電路可以滿足要求。2.GTO的幾種基本驅(qū)動(dòng)電路：

圖1.9.6(c)圖1.9.6(d)1.9.2驅(qū)動(dòng)電路1)作用:

將控制電路輸出的控制信號(hào)放大到足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。

2)功能:

①提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷(期望的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖1.9.7所示)。②實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。③具有自動(dòng)保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時(shí)快速自動(dòng)切除驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免損壞GTR。④電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。圖1.9.7理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形

3.GTR的驅(qū)動(dòng)電路

3．GTR的參考驅(qū)動(dòng)電路（1）簡單的雙電源驅(qū)動(dòng)電路：電路如圖1.9.8所示，驅(qū)動(dòng)電路與GTR（T6）直接耦合，控制電路用光耦實(shí)現(xiàn)電隔離，正負(fù)電源(+Uc2和-Uc3)供電。（2）集成基極驅(qū)動(dòng)電路：

UAA4002集成基極驅(qū)動(dòng)電路可對GTR實(shí)現(xiàn)較理想的基極電流優(yōu)化驅(qū)動(dòng)和自身保護(hù)。圖1.9.8雙電源驅(qū)動(dòng)電路1.9.2驅(qū)動(dòng)電路

3．GTR的參考驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.9UAA4002內(nèi)部功能框圖

圖1.9.10UAA4002的GTR驅(qū)動(dòng)電路1.9.2驅(qū)動(dòng)電路

由于IGBT的輸入特性幾乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單，用于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于VDMOS。1.9.2驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.11采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9.12推挽輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電路

4．MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路4．MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路圖1.9.13EXB8XX驅(qū)動(dòng)模塊框圖

圖2.9.11集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路

1.9.2驅(qū)動(dòng)電路1.9.3保護(hù)電路電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生過電流、過壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過流、過壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。

通常電力電子系統(tǒng)同時(shí)采用電子電路、快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器等幾種過電流保護(hù)措施，提高保護(hù)的可靠性和合理性。

快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。1.9.3保護(hù)電路圖1.9.16電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護(hù)方案

1.過電流保護(hù)（過流包括過載和短路）過電壓——外因過電壓和內(nèi)因過電壓。外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程（由分閘、合閘等開關(guān)操作引起）等外因。內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。

(1)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)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。

(2)關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，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。1.9.3保護(hù)電路2．過電壓保護(hù)

電力電子系統(tǒng)中常用的過電壓保護(hù)方案：圖中交流電源經(jīng)交流斷路器S送入降變壓器T。當(dāng)雷電過電壓從電網(wǎng)竄入時(shí)，避雷器F將對地放電防止雷電進(jìn)入變壓器。C0為靜電感應(yīng)過電壓抑制電容，當(dāng)交流斷路器合閘時(shí)，過電壓經(jīng)C12耦合到T的次極，C0將靜電感應(yīng)過電壓對地短路，保護(hù)了后面的電力電子開關(guān)器件不受操作1.9.3保護(hù)電路圖1.9.17電力電子系統(tǒng)中常用的過電壓保護(hù)方案

過電壓的沖擊。C1R1是過電壓抑制環(huán)節(jié)，當(dāng)變壓器T的次極出現(xiàn)過電壓時(shí)，過電壓對C1充電，由于電容上的電壓不能突變，所以C1R1能抑制過電壓。C2R2也是過電壓抑制環(huán)節(jié)，電路上出現(xiàn)過電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通對C2充電，過電壓消失后C2對R2放電，二極管不導(dǎo)通，放電電流不會(huì)送入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的過壓保護(hù)。2．過電壓保護(hù)

1.9.4緩沖電路

1）原因：電力電子器件工作狀態(tài)有開通、通態(tài)、關(guān)斷、斷態(tài)四種工作狀態(tài)，其中斷態(tài)時(shí)承受高電壓，通態(tài)時(shí)承載大電流，而開通和關(guān)斷過程中開關(guān)器件可能同時(shí)承受過壓、過流、過大的、以及過大的瞬時(shí)功率。

2）緩沖電路作用：防止高電壓和大電流可能使器件工作點(diǎn)超出安全工作區(qū)而損壞器件。

3）原理：關(guān)斷緩沖電路吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制,減小關(guān)斷損耗；開通緩沖電路抑制器件開通時(shí)的電流過沖和,減小器件的開通損耗。GTR開通過程：一方面ＣS經(jīng)ＲS、ＬS和GTR回路放電減小了GTR承受較大的電流上升率，另一方面負(fù)載電流經(jīng)電感ＬS后受到了緩沖，也就避免了開通過程中GTR同時(shí)承受大電流和高電壓的情形。GTR關(guān)斷過程：流過負(fù)載ＲL的電流經(jīng)電感LS、二極管ＤS給電容ＣS充電，因?yàn)椋肧上電壓不能突變，這就使GTR在關(guān)斷過程電壓緩慢上升，避免了關(guān)斷過程初期器件中電流還下降不多時(shí)，電壓就升到最大值,同時(shí)也使電壓上升率被限制。1.9.4緩沖電路圖1.9.18GTR

緩沖電路圖1.9.18是一種中、小功率開關(guān)器件GTR的緩沖電路。圖1.9.19所示是一種大功率開關(guān)器件GTR的緩沖電路。將無感電容器C、快恢復(fù)二極管D和無感電阻R組成RCD緩沖吸收回路。器件關(guān)斷過程：電流經(jīng)過C、D給無感電容器充電，使器件的UCE電壓緩慢上升，可有效地抑制過電壓的產(chǎn)生；器件開通過程：C上的電荷再通過電阻R經(jīng)器