第五讲 电力电子器件
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1、电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology电力电子器件的驱动、保护电力电子器件的串联和并联合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4 4.4 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设计在驱动电路中，或通过驱动电路实现 驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使
2、其开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号， 又要提供关断控制信号RsRGRFRLiDuGSup+UE合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4 4.4 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器图1-25 光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组合肥工业大学电气工程
3、学院电力电子与电力传动教研组合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4 4.4 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 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； 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。驱动电路可以采用分立元件来构成，目前的趋势是采用专用集成驱动电路：GSDA合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4 4.4 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 作用作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路 晶闸管触发电路应满足下列要求：晶闸
4、管触发电路应满足下列要求： 触发脉冲的宽度宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流擎住电流的概念） 触发脉冲应有足够的幅度幅度 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区可靠触发区域之内 应有良好的抗干扰抗干扰性能、温度稳定性温度稳定性及与主电路的电气隔离电气隔离合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.4 4.4 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 晶闸管触发电路的原理解释： V1、V2构成脉冲放大环节（V1和V2接成达林顿结构）； 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节，这里利用了脉冲变压器原边的电压等于电感与电流变化率的乘积的原理在副边产生了触发脉冲开始的大电流； V1、V2
5、导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的G和K之间输出触发脉冲； VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设计。在以后的电路中会多次出现这种电路的使用。 图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）图1-27 常见的晶闸管触发电路ItIMt1t2t3t4合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5 4.5 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1. 1. 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路 GTOGT
6、OGTO的开通控制开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流使GTO关断关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力OttOuGiG图图1-281-28推荐的推荐的GTOGTO门极门极电压电流波形电压电流波形5V的负偏压合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5 4.5 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 GTO驱动电路通常包括开通驱动电路开通驱动电路、关断驱动电关断驱动电路路和门极反偏电路门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦脉冲变压器耦合式合式和直接耦合式直
7、接耦合式两种类型 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5 4.5 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 a)直接耦合式驱动电路 b)脉冲变压器耦合式驱动电路 a)为一种直接耦合式门极驱动电路。电路采用半桥结构，通过C1和C2分压，为GTO的阴极提供零电位。控制信号uon使得V1导通，为GTO提供触发电流；而关断信号uoff使得V2导通，C2的电压放电产生关断负电流使GTO关断。这种电路结构简单，有较强的关断能力。 b)为最简单的脉冲变压器耦合门极驱动电路
8、，当驱动晶体管V导通时，关断GTO。V关断时，利用变压器中贮能使GTO开通。这个电路最大的特点是简单且效率高。但由于开通仅依靠变压器在关断过程中存贮的能量对大容量GTO不太适合。uGAKonoffu+-CC1KG+-V2Aa)b)VV12合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组4.5 4.5 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路直接耦合式直接耦合式GTOGTO驱动电路驱动电路：二极管VD1和电容C1提供+5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压VD4和电容C4提供-15V电压V1开通时，输出正强脉冲V2开通时输出正脉冲平顶部分V2关断而V3开通时输
9、出负脉冲V3关断后R3和R4提供门极负偏压50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4图1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路BAoC合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1 5.1 典型全控型器件的驱动电典型全控型器件的驱动电路路GTRGTR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和区关断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）的负偏压图1-30理想的GTR基极驱动电流波形tOib合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组
10、5.1 5.1 典型全控型器件的驱动电典型全控型器件的驱动电路路GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 当V1导通时，V2导通使V3截止，则V4和V5组成的达林顿电路工作，对V基极注入驱动电流，使V导通；当V1截止时，V3导通使V6导通，V5截止，则V截止。 vC2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通GTR目前的驱动也使用集成驱动电路，如三菱公司的M57215BL。VD1AV0V+10V+15VV1V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2 合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组5.1 5.1 典型全控
11、型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 2.2.电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路 栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般1520V 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（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。数值较小的栅极电阻能加快栅极电容的充放电，从而减小开关时间和开关损耗，但与此同时也降低了栅极的抗噪声能力，并可能导致寄生电感产生振荡。合肥工业大学电气工程
