电力电子-陈坚_第7章

电力电子学——电力电子变换和控制技术(第二版)

第7章 辅助元器件和系统

7 辅助元器件和系统7.1 触发控制器 7.2 过电流保护和过电压保护 7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区 7.4 缓冲器 7.5 电感(电抗器)、方波变压器和脉冲变压器 7.6 滤波器 7.7 散热系统 7.8 控制系统和辅助系统 小结

7.0 辅助元器件和系统 电力电子变换器中，周期性地改变开关的通、断状态，可 实现DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC电力变换和控制。 电力电子变换器中除开关电路外，还必须有一些辅助元器 件和系统，如触发驱动器、过流过压保护系统、缓冲器、 电感、电容、变压器、滤波器、散热系统、辅助电源、控 制系统等。 本章介绍这些辅助元器件和系统

电力电子变换器系统框图示例iD vL iL

T1

T3

VD

+ T2 T4 T1-T4触发驱动 指令 通讯

iD iL保护显示

vL

控制系统

iL vL

VD

辅助电源

7.1 触发控制器 触发控制器从控制系统接收控制信号，经过处理后输出触发驱 动电压(电流),开通或关断元器件，不同的开关器件，不同的 应用情况，要求不同的触发驱动器，已有各类开关元器件的触 发驱动器可供选用。

7.1 触发控制器7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 晶闸管SCR触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器

7.1.1 晶闸管SCR触发驱动器(+) D2 SCR

SCR只要求有脉冲电流触发其开通，脉冲电 流Ig上升沿要陡，强触 发数值要足够大(脉冲 足以使SCR立即开通)TRA D1 DZ

* Ig PTR Ig I gM t t ot 1 t2 t3

t o~ t 1 ,Ig 迅速上升 t 1 ~t 2 , 强脉冲触发 t o ~t 3 , 脉冲宽度

图7.1 有隔离变压器的SCR驱动器

7.1.1 晶闸管SCR触发驱动器(续1) 由发光二极管LED和光控晶闸管 LAT组成 光电耦合隔离较变压器隔离电磁 干扰小，但光控晶闸管LAT必须LEDLAT

能承受电路的高压 快速光耦响应时间可小于1.5μs 高压电力系统、直流输电等用的LAT R

SCR

Ig

SCR触发器大都采用光纤电缆传送驱动信号图7.2 有光耦隔离的SCR驱动器

7.1.2 GTO的触发驱动器(+ )A* * * *

DZ

-I g+C

0

SC R

+Ig

G O T0

+ g I t

BM1 M2

g I

M1、M2互补 图7.3有隔离变压器的GTO驱动器 GTO要求有正值门极脉冲电流+Ig触发其开通，负值脉冲电流-Ig使其关断

MOS管M1、M2接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向GTO 输出+ Ig触发其开通，并使C充电。 要关断已处于通态的GTO(M1、M2已无输入信号)时，需触发开通SCR, C放电形成-Ig ,关断GTO

7.1.3 BJT的驱动器BJT理想驱动条件及理想波形基极驱动电流的波形：晶体管开通的瞬间，驱 动电流应有足够陡的前沿和比稳态驱动电流大得 多的前沿峰值电流，以保

证晶体管迅速进入饱和 状态；

iB

ibfmOF F t

基极电流的稳态值：应使晶体管处于饱和或临 界饱和状态，以降低通态损耗；

驱动电流后沿加一个较大的负电流：以保证迅 速地将晶体管b-e之间的结间存储电荷抽出，加 快关断过程，降低开关损耗，并有利于提高开关 频率。

ibrm基本驱动电流波形

基极驱动电路必须隔离，响应快，波形不失真。 有过流或晶体管进入放大区工作的保护功能。

7.1.3 BJT的驱动器(续1)(+)iBO N

TR1 TR2

加速电容C+ -

P

RTR3

iBOFF

t

(-)双管射极输出驱动器

基本驱动电流波形

输入端P为低电平时，TR1通， TR2通，有+iG驱动BJT

输入端为高电平时，TR1断， TR3通，C经TR3放电，形成BJT 关断所需的-iB

BJT要求有正值基极电流+IB强触发开 通，并要求有持续的较小的驱动电流， 保持其通态。最好有-IB使其关断时间 缩短，有较小的负基极电流维持其可 靠的断态 与R并联的C提供了强触发+IG

7.1.3 BJT的驱动器(续2)

P点有输入信号时，反相器输出VB=0,光耦驱动器TL1导通使A点为高电 位，经R1使T1导通，为BJT提供+IB

当P点无输入信号时，VP=0,光耦驱动LT2导通，使A点为低电位，T2导通，C经T2、R2放电，为BJT提供关断电流-IB

7.1.3 BJT的驱动器(续3)BJT除了上面讲到的那些驱动器外，还有这样的一些驱动电路A (+)

(+)BJT iB (- ) 单管驱动器 D1 BP2 TR2 P1 TR1 BJ T

*

*

C N1 BJT

A

D2 D4 F

D3 B P

(-)有隔离变压器的BJT驱动器

BJT抗饱和贝克箝位电路

7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器

一般选取正UGE=12~15V,关断过程中，为尽快使栅 极输入电容放完电，并将 P-MOSFET或IGBT置于反 偏的最大安全工作区，应 施加一负偏压UGE,但它受 IGBT的GE间最大反向耐 压限制，一般取-2~-10VMOSFET CD

大脉冲电流TTL的P-MOSFET驱动器

7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器(续1)

P-MOSFET、IGBT等都是电压型驱 动器件，要求有持续的电平+VG使其开 通并保持其通态； 关断时最好加持续的负电平-VG,并 维持其可靠的断态 P有正信号输入时，AM截止，开通 P-MOSFET;P=0时， AM开通，C放 电，P-MOSFET截止Di 1P-MOSFET

* P

*

S

DAM

图7.6 有脉冲变压器的P-MOSFET驱动器

7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驱动器(续2) P有正信号输入时，放大 器输出A点正电位使T1导 通，P-MOSFET开通，并 保持通态

(+) (+) (+)T1

R

G C S

AMPL

P无信号输入时，A点为负 电位，T2导通，稳压管DZ 两端电压抽出C电荷，并 在P-MOSFET管上栅-源 极加负压，使其关断并保 持断态

(-) P

T2

Dz

(-)

图7.7 有光偶隔离的 P-MOSFET驱动器