电力电子开关器件的辅助电路

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1、第2章电力电子开关器件的辅助电路要保证用于电力系统或电力设备主电路中的各种开关器件在工作过程中的安全和可靠，必须针对器件的不同性能和容量设计相应的辅助电路。包括：驱动电路、缓冲电路和保护电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在较理想的开关状态，减少开关损耗，提高器件工作可靠性。本章还介绍了电力电子开关器件的串并联技术和散热技术，这些辅助技术手段对设备的运行安全、运行效率和可靠性都有着重要的意义。教学要求：1.掌握各种电力电子开关器件的相关辅助电路设计方法；2.了解电力电子开关器件的串并联技术；3.掌握功率器件散热设计方法。2.1电力电子开关器件的驱

2、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。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。按照驱动信号的性质分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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。2.1.1晶闸管的门极驱动电路（电流驱动型）1.晶闸管触发电路的基本要求（1）触发信号通常采用脉冲信号。（2）触发脉冲要有足够的触发功率。（3）触发脉冲的

3、移相范围要满足变流装置的要求。一般移相范围≤180°。（4）触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲前沿陡度大于10V/μs或800mA/μs。（5）触发脉冲与主电路电源电压保持同步。SCR导通必须的外界条件：阳极加正向电压，门极加正触发信号。当SCR导通后，门极控制信号不再起作用，直到阳极电压减小或反向后，阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。因此，晶闸管的门极驱动电路又称为触发电路。触发电路的类型晶闸管门极触发电路有移相控制和垂直控制两种方法：移相控制——通过改变控制脉冲产生的时间来改变晶闸管的导通角。垂直控制——将移相信号和控制信号叠加，通过改变控制信

4、号的大小来改变晶闸管导通角。触发电路中触发脉冲可以用模拟电路或数字电路来产生，目前应用广泛的：专用集成触发电路——模拟式触发电路的单片集成，具有移相线性度好，性能稳定可靠，体积小，温漂小等优点。数字式触发电路——将数字逻辑电路和微处理器用于产生移相触发脉冲，其硬件电路大大简化，触发脉冲一致性好，触发角的分辨率高，并可提高触发器的灵活性和稳定性。集成化触发电路集成化触发器体积小、性能好、功耗低、可靠性高，目前国内常用的有KC和KJ两个系列。例如，KC04集成触发器为16脚双列直插式塑封芯片。与锯齿波同步触发电路相似，由同步单元、锯齿波形成单元、移相单元、脉冲形

5、成单元和功率放大单元组成。由一个KJ04构成的触发电路可输出两个相位差180°的触发脉冲，用来控制晶闸管变流装置的上下各一只晶闸管。KC04工作各点波形在UT和-15V电源作用下同步单元产生同步脉冲。UT1低电平作为同步电压的过零标志。锯齿波发生单元由内部三极管和外部R4、R5、C2和-15V电源组成，在同步脉冲作用下，产生锯齿波电压U4。锯齿波电压经4脚输出，通过电阻R6、R7、R8和外接的偏移电压UP、移相控制电压UK叠加后由9脚送入移相控制单元。外接阻容元件R9、C3与内部三极管组成脉冲形成单元电路，产生一个宽度固定的移相脉冲，其脉冲宽度由时间常数R9

6、C3决定。功率放大单元实现脉冲分选并进行功率放大，在器件的1脚和15脚输出相位差180o的两个驱动脉冲。在多数晶闸管变流装置中，所产生的脉冲要经光耦或变压器隔离后加到晶闸管门极和阴极之间。图(a)为输入信号经光耦隔离后的驱动电路，光耦两侧为相互隔离的电源。图(b)为脉冲变压器隔离驱动电路，它不但有隔离作用，也能实现阻抗的匹配。数字式触发电路——以数字逻辑电路或微处理器为核心的触发脉冲产生电路。目前多用单片机系统设计，原理如图。2.1.2门极可关断晶闸管门极驱动电路（电流驱动型）GTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。GTO的门极驱动

7、技术关键在于关断。1.GTO门极驱动特性（1）GTO门极驱动电路结构GTO开通时，内部有正反馈过程，开通驱动功率较小；在关断时，由于关断增益小，门极关断负电流较大，关断电路功率很大；门极反偏电路为门极提供反偏电压，能起到抗干扰，保证GTO可靠阻断，提高其静态du/dt耐量的作用。（2）GTO门极驱动信号波形IGF为开通驱动门极正向直流电流，IGRM为关断驱动门极反向最大电流。门极开通信号电流波形和门极关断信号电流波形均要求前沿较陡、幅度较高、宽度要够、后沿要缓。门极关断电流信号脉冲电流的幅度较大，IGRM一般为(1/3-1/5)IATO，与GTO关断增益有关

8、。GTO门极驱动类型直接驱动——将驱动级的功率放大电