電力電子器件應(yīng)用的共性--驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、串并聯(lián)的重要意義

今天我們聊一聊電力電子器件應(yīng)用的共性--驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、串并聯(lián)...

1.驅(qū)動(dòng)

談到功率半導(dǎo)體器件，出來不可控的，其他的應(yīng)該都涉及到主動(dòng)開關(guān)吧，那怎么開怎么關(guān)呢？這就是驅(qū)動(dòng)，電力電子主電路與控制電路之間的接口。良好的驅(qū)動(dòng)電路使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。

驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)就是，按控制目標(biāo)的要求給器件施加開通或關(guān)斷的信號(hào)(對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)；對(duì)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))。

一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)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：由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。大致分為普通、高速和高傳輸比三種類型。

?磁隔離的元件通常是脈沖變壓器：當(dāng)脈沖較寬時(shí)，為避免鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制和解調(diào)的方法。

①晶閘管的觸發(fā)電路

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(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，往往還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。

觸發(fā)電路應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：

?觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，比如對(duì)感性和反電動(dòng)勢負(fù)載的變流器 應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)；

?觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)1~2A/s；

?觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可 靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)；

?應(yīng)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。

②常見的晶閘管觸發(fā)電路

由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時(shí)，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；VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它 電路環(huán)節(jié)。

③電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

我們知道，GTO和GTR是電流驅(qū)動(dòng)型器件。那它們的驅(qū)動(dòng)電路一般是怎么樣的呢？

GTO

推薦的GTO門極電壓電流波形

開通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)觸發(fā)脈沖前沿的幅值和 陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流，使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求更高。GTO一般用于大容量電路的場合，其驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)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。

典型的直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路如下：

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；缺點(diǎn)是功耗大，效率 較低。電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后提供，VD1和C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓，VD4和C4提供-15V電壓。V1 開通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖；V2開通時(shí)，輸出正脈沖平頂部分；V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖；V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓。

GTR

理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形

開通的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。

GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路如下：

包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。VD2和VD3構(gòu)成貝克箝位電路，是一種抗飽和電路，可使GTR導(dǎo)通時(shí)處于臨界飽和狀態(tài)；C2為加速開通過程的電容，開通時(shí)R5被C2短路，這樣可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。

④電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻；使電力MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取10~15V，使IGBT開通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取15~20V；關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右） 可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。

電力MOS的一種驅(qū)動(dòng)電路：

包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；當(dāng)無輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平，V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓。

IGBT多采用混合集成電路，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）。當(dāng)然發(fā)展至今已經(jīng)涌現(xiàn)出各式各樣的驅(qū)動(dòng)芯片了，大家實(shí)際工作中可以慢慢了解和積累。

2.保護(hù)

圍繞著功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)這塊的重視程度估計(jì)是很大的，它直接關(guān)系到器件的可靠性，以及產(chǎn)品的可靠性和壽命，今天我們簡單聊一下過電壓、過電流和緩沖電路。

①過電壓

過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。

外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括

?操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓。

?雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。

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，包括

?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，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。

?關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件 兩端感應(yīng)出的過電壓。

F--避雷器

D--變壓器靜電屏蔽層

C--靜電感應(yīng)過電壓抑制電容

RC1--閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路

RC2--閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路

RV--壓敏電阻過電壓抑制器

RC3--閥器件換相過電壓抑制用RC電路

RC4--直流側(cè)RC抑制電路

RCD--閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路

過電壓抑制措施及配置位置

?各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種；

?RC3 和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施。

?抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路；

?采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。

②過電流

過電流分過載和短路兩種情況。

過電流保護(hù)措施及其配置位置如下：

快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，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。

快速熔斷器（簡稱快熔）：是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施。選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：

▲電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來確定；

▲電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定；

▲快熔的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值；

▲為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間--電流特性。

快熔對(duì)器件的保護(hù)方式可分為全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。

全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。

短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。

對(duì)重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，器件對(duì)電流的響應(yīng)是最快的。

③緩沖電路

緩沖電路（Snubber Circuit）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。

?分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路

關(guān)斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。

開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。

?還可分為耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路

耗能式緩沖電路：緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量消耗在其吸收電阻上。

饋能式緩沖電路：緩沖電路能將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，也稱無損吸收電路。

而我們通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路區(qū)別叫做di/dt抑制電路。

下面是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖：

在無緩沖電路的情況下， di/dt很大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大， 并出現(xiàn)很高的過電壓，如下圖所示：

在有緩沖電路的情況下，V開通時(shí)，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)長i的作用，iC的上升速度減慢；V關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過電壓。因?yàn)殛P(guān)斷時(shí)電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會(huì)出現(xiàn)一定的過電壓。

關(guān)斷過程：

無緩沖電路時(shí)，uCE迅速上升，負(fù)載線從A移動(dòng)到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移動(dòng)到C。

有緩沖電路時(shí)，由于Cs的分流使iC在uCE開始上升的同時(shí)就下降，因此負(fù)載線經(jīng)過D到達(dá)C。負(fù)載線在到達(dá)B時(shí)很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負(fù)載線ADC是很安全的，且損耗小。

緩沖電路的另外兩種形式：

RC緩沖電路 放電阻止型RCD緩沖電路

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。

3.串/并聯(lián)

對(duì)較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個(gè)電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時(shí)，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。

①晶閘管的串聯(lián)

當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實(shí)際要求時(shí)，可以用兩個(gè)以上同型號(hào)器件相串聯(lián)，但是會(huì)存在電壓不均衡的問題：

?靜態(tài)不均壓問題：

由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓問題；為達(dá)到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選用參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。

?動(dòng)態(tài)不均壓問題：

由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓問題。

為達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外還可以用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓；對(duì)于晶閘管來講，采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間上的差異。

伏安特性差異 串聯(lián)均壓措施

②晶閘管的并聯(lián)

大功率晶閘管裝置中，常用多個(gè)器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流。晶閘管并聯(lián)就會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而存在電流分配不均勻的問題。均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器件，此外還可以采用均流電抗器；同樣，用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流。

當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。

③電力MOSFET的并聯(lián)

?MOS的Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)均衡能力，容易并聯(lián)；

?應(yīng)選用Ron、UT、Gfs和輸入電容Ciss盡量相近的器件并聯(lián)；

?電路走線和布局應(yīng)盡量對(duì)稱；

?可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用。

④IGBT的并聯(lián)

在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負(fù)溫度系數(shù)；在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)；也具有一定的電流自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)使用。在器件參數(shù)和特性選擇、電路布局和走線、散熱條件等方面也應(yīng)盡量一致。