电力电子器件器件的保护.pptx

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1、第1章第1页1.7 1.7 电力电子器件器件的保电力电子器件器件的保护护过电压的产生及过电压保护 电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 (2) 雷击过电压：由雷击引起内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 (1) 换相过电压：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，会由线路电感在器件两端感应出过电压 (2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压 第

2、1页/共64页第1章第2页过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施图1-34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电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC 第2页/共64页第1章第3页过电压的产生及过电压保护过电压的

3、产生及过电压保护 外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35RC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图1-35RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相 +-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1 -35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa 第3页/共64页第1章第4页过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路图1-36反向阻断式过电压抑制用RC电路保护电路参数计算可参考相关工程手册其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏

4、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电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C2 第4页/共64页第1章第5页过电流保护过电流保护过电流过载和短路两种情况 常用措施（图1-37）快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器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图1-37过电流保护措施及配置位置负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器 变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1

5、 -37 第5页/共64页第1章第6页过电流保护过电流保护 快速熔断器 电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施 选择快熔时应考虑：(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 第6页/共64页第1章第7页过电流保护过电流保护(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快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合 短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用对重要的且易发生短路的

6、晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 第7页/共64页第1章第8页缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗关断缓冲电路（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将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能

7、式缓冲电路（无损吸收电路）通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路 第8页/共64页第1章第9页缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）缓冲电路作用分析无缓冲电路：V 开 通 时 电 流 迅 速 上 升 ，di/dt很大关断时du/dt很大，并出现很高的过电压有缓冲电路V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢V 关 断 时 ： 负 载 电 流 通 过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDs

8、tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a) 电路 b) 波形 第9页/共64页第1章第10页缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）关断时的负载曲线无缓冲电路时：uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低图1-39关断时的负载线ADCB无缓冲电路有缓冲电路

9、图1-39uCEiCO 第10页/共64页第1章第11页缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）充放电型RCD缓冲电路（图1-38），适用于中等容量的场合图1-40示出另两种，其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件图1-40另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDs 第11页/共64页第1章第12页缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）缓冲电路中的元件选取及其他注意事项

10、Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容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吸收电路即可 第12页/共64页第1章第13页1.8 1.8 电力电子器件器件的串联和并联电力电子器件器件的串联和并联使用使用 晶闸管的串联 晶闸管的并联晶闸管的并联 电力电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并联运行的特点并联运行的特点第13页/

11、共64页第1章第14页晶闸管的串联目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿 1.8 1.8 电力电子器件器件的串联和并联使电力电子器件器件的串联和并联使用用第14页/共64页第1章第15页晶闸管的串联晶闸管的串联静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多图1-

12、41晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2 第15页/共64页第1章第16页晶闸管的串联晶闸管的串联动态均压措施动态不均压由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件用RC并联支路作动态均压采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间 上的差异 第16页/共64页第1章第17页晶闸管的并联晶闸管的并联目的：多个器件并联来承担较大的电流问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀均流措施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

13、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 第17页/共64页第1章第18页电力电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并联运行的特点并联运行的特点电力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IGBT并联运行的特点在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以上的区段则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 第18页/共64页第1章第19页本章小结本章小结主要内容 全面介绍各

14、种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 集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用 电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET和SITMCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIAC LTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（图1-42GTR 图1-42电力电子器件分类“树”第19页/共64页第1章第20页本章小结本章小结双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型：IGBT和MCT电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路 简单，工作频率高电流

15、驱动型：双极型器件中除SITH外 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导 通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功 率大,驱动电路较复杂 第20页/共64页第1章第21页本章小结本章小结当前的格局:IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTOGTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固 第21页/共64页第1章第22页图图1-1 1-1 电力电子器件在实际应用中的系统

16、电力电子器件在实际应用中的系统组成组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2 返回 第22页/共64页第1章第23页图图1-2 1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形电力二极管的外形、结构和电气图形符号符号AKAKa)IKAPNJb)c)外形结构 电气图形符号 返回 第23页/共64页第1章第24页图图1-3 PN1-3 PN结的形成结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场 返回 第24页/共64页第1章第25页图图1-4 1-4 电力二极管的伏安特电力二极管的伏安特性性IOIFUTOUFU 返回 第25页/共6

17、4页第1章第26页图图1-5 1-5 电力二极管的动态过程波电力二极管的动态过程波形形b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置 返回 第26页/共64页第1章第27页图图1-6 1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形晶闸管的外形、结构和电气图形符号符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3外形 结构 电气图形符号 返回 第27页/共64页第1章第28页图图1-7 1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理RNPNPNPAG

18、SKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)双晶体管模型 工作原理 返回 第28页/共64页第1章第29页图图1-8 1-8 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMIG2IG1IG 返回 第29页/共64页第1章第30页图图1-9 1-9 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 返回 第30页/共64页第1章第31页图图1-10 1-10 双向晶闸管的电气图形符号双向晶闸管的

19、电气图形符号和伏安特性和伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2电气图形符号 伏安特性 返回 第31页/共64页第1章第32页图图1-11 1-11 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性b)a)UOIKGAIG=0电气图形符号 伏安特性 返回 第32页/共64页第1章第33页图图1-12 1-12 光控晶闸管的电气图形符号光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 光强度强弱b)AGKa)OUAKIA电气图形符号 伏安特性 返回 第33页/共64页第1章第34页图图1-13 GTO1-13 GTO的内部结构和电气图形符的内部结构和电气图形符号号c)图1-13A

20、GKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKc) 电气图形符号a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 返回 第34页/共64页第1章第35页图图1-14 GTO1-14 GTO的开通和关断过程电流波的开通和关断过程电流波形形Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 返回 第35页/共64页第1章第36页图图1-15 GTR1-15 GTR的结构、电气图形符号和的结构、电气图形符号和内部载流子的流动内部载流子的流动图1-15a)基极 bP基区N漂移区N+衬底基极 b 发射极 c集电极 cP+P+N+b)bec

21、空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ib内部结构断面示意图 电气图形符号 内部载流子的流动 返回 第36页/共64页第1章第37页图图1-16 1-16 共发射极接法时共发射极接法时GTRGTR的输出特的输出特性性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce 返回 第37页/共64页第1章第38页图图1-17 GTR1-17 GTR的开通和关断过程电流波的开通和关断过程电流波形形图1-17ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 返回 第38页/

22、共64页第1章第39页图图1-18 GTR1-18 GTR的安全工作区的安全工作区SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM 返回 第39页/共64页第1章第40页图图1-19 1-19 电力电力MOSFETMOSFET的结构和电气图形的结构和电气图形符号符号N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-19内部结构断面示意图 电气图形符号 返回 第40页/共64页第1章第41页图图1-20 1-20 电力电力MOSFETMOSFET的转移特性和输出特的转移特性和输出特性性01020305040图1-202468a)10203050400b)102030504

23、0饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A转移特性 输出特性 返回 第41页/共64页第1章第42页图图1-21 1-21 电力电力MOSFETMOSFET的开关过的开关过程程a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf测试电路 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻， 返回 RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流 第42页/共64页第1章第43页图图1-22 IGBT1-22 IGBT的结构、简化

24、等效电路和的结构、简化等效电路和电气图形符号电气图形符号EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E 返回 内部结构断面示意图简化等效电路电气图形符号第43页/共64页第1章第44页图图1-23 IGBT1-23 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 转移特性 输出特性 返回 第44页/共64页第1章第45页图图1-24 IGBT1-24 IGBT的开关过程的开关过

25、程 ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 返回 第45页/共64页第1章第46页图图1-25 1-25 光耦合器的类型及接光耦合器的类型及接法法ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1普通型 高速型 高传输比型 返回 第46页/共64页第1章第47页图图1-261-26理想的晶闸管触发脉冲电流波理想的晶闸管触发脉冲电流波形形ItIMt1t2t3t4t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IG

26、T5IGT） t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT） 返回 第47页/共64页第1章第48页图图1-27 1-27 常见的晶闸管触发电常见的晶闸管触发电路路 TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2 返回 第48页/共64页第1章第49页图图1-281-28推荐的推荐的GTOGTO门极电压电流波形门极电压电流波形 返回 OttOuGiG第49页/共64页第1章第50页图图1-291-29典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电驱动电路路 50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4 返回 第

27、50页/共64页第1章第51页图图1-301-30理想的理想的GTRGTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形 tOib 返回 第51页/共64页第1章第52页图图1-311-31GTRGTR的一种驱动电路的一种驱动电路VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2 返回 第52页/共64页第1章第53页图图1-321-32电力电力MOSFETMOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路 A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC 返回 第53页/共64页第1章第54页图图1-331-33M579

28、62LM57962L型型IGBTIGBT驱动器的原理和接驱动器的原理和接线图线图 13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546-10 V+ 15 V30 V+5 VM 57962L14ui1快恢复trr0.2 s4.7k 3.1 100 F100 F 返回 第54页/共64页第1章第55页图图1-341-34过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDCF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

29、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 返回 第55页/共64页第1章第56页图图1-351-35RCRC过电压抑制电路联结方式过电压抑制电路联结方式+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1-35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa单相三相 返回 第56页/共64页第1章第57页图图1-361-36反向阻断式过电压抑制用反向阻断式过电压抑制用RCRC电电路路 电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C2 返回 第57页/共64页第1章第58页图图1-371-37过电流保护措施

30、及配置位过电流保护措施及配置位置置 负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37 返回 第58页/共64页第1章第59页图图1-381-38di/dtdi/dt抑制电路和充放电型抑制电路和充放电型RCDRCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a)b)图1 -38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC电路 波形 返回 第59页/共64页第1章第60页图图1-391-39关断时的负载线关断时的负载线 A

31、DCB无缓冲电路有缓冲电路图1-39uCEiCO 返回 第60页/共64页第1章第61页图图1-401-40另外两种常用的缓冲电路另外两种常用的缓冲电路L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDs放电阻止型吸收电路RC吸收电路 返回 第61页/共64页第1章第62页图图1-411-41晶闸管的串联晶闸管的串联b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2伏安特性差异串联均压措施 返回 第62页/共64页第1章第63页图图1-421-42电力电子器件分类电力电子器件分类“树树” MCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（图1-42GTR第63页/共64页第1章第64页感谢您的观看！第64页/共64页