9 电力电子器件的驱动汇总

2018/10/15
VD4
C4
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C2C VD 2 VD 3 R1 3
VD2
R1
GTO L R3 V R4
VD2
R2
VD1
R2
V1
50kHz N 50V 1
50kHz N 50V 1
NVD 1 C 2
1
C3 V2 V C1 C4 C3 3V2
N N3 2 VD4 N3
1
GTO L R3 R4
电力电子技术
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R3
+15V A
C1 V4
V1 R2 R1
R4
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+10V R4 V4
V4
R3 VD1
C1
1 VD 1
V3
V3
V5V C2
3
V5
V5 C2
5
C22 VD
VD2
3
VD2
V
VD VD R 3 V6
V2
R5 V6
VD4
VD V 3 VD
二极管VD2和电位补偿二极管VS VD3构成贝克箝位电路，也即一 种抗饱和电路，负载较轻时，如 V，会使V过 6 V5发射极电流全注入 4 0V 饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电 位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持 Ubc≈0。 C2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。
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开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压
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VD2
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2) GTR 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
ib
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。 2018/10/15
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M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为 -10V。
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9.2.1过电压的产生及过电压保护
相对于电机、继电器和接触器等控制电器而言， 晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，其击穿 电压比较接近工作电压，所以短时间的过电压和 过电流就会把器件损坏。 若以暂时的过电压、过电流的数值确定参数，又 会造成浪费，为了充分发挥器件应有的过载能力 ，保护措施就是提高电力电子装置可靠能力的重 要环节。 保护的目的有两个： ① 防止故障的发生 ② 减小故障后的损失
第九章 电力电子器件的 驱动与保护
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9.1.1 电力电子器件驱动电路概述
驱动电路 —— 主电路与控制电路之间的接口， 是电力装置的重要环节，对整个装置的性能 有很大的影响。
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在驱 动电路中，或通过驱动电路实现。
O
t
理想的GTR基极驱动电流波形
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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
GTR
+15V A V1 R2 R3 C1 V4 VD1 V3 V5 C2 R5 V2 V6 VD4 R4
+10V
R1
VD2 VD3 V VS 0V
的 一 种 驱 动 电 路
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典型的直接耦合式GTO驱动电路：
C2 VD3
VD2
R1 R2 C3 V2 C4 V3 V1 GTO L R3 R4
VD1 50kHz N 50V 1 N2 N3 C1 VD4
式典 型 的 驱直 动接 电耦 路合 GTO
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GTO V GTO L 1 L R3
R3 R4
VD2
N33 N C4C4 VD VD 4
4
V3
V3
R4
VD4和电容C4提供-15V电压
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C2 VD3
R1 R2 C3 V2 C4 V3 V1 GTO L R3 R4
VD1 50kHz N 1 50V N2 N3 C1 VD4
C2 VD3
VD2
C2 VD3
VD2
R1 R2
V1 GTO L R3
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R1
VD1 VD
1
R2 C3 V2 C4
G V1 V3 R4
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Hz N 1 V
50kHz N 50V 1
N2
3
N N 2 N3
C1
VD4
C1V C3R V2
3 4
R
• 二极管VD1和电容C1提供+5V电压
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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。
VD4
R5
VS 0V
V VS
V
0V
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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 10~15V ， 使 IGBT开通的驱动电压一般15 ~ 20V。 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。
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驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电 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
ID R Uin IC R1 Uout E R R1 E R R1 E
a)
光耦合器的类型及接法
b)
c)
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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电容、 电感中存储的能量的瞬间释放产生的过电压。
(2) 浪涌（雷击）过电压：由雷击等偶然原因引起的从 电网侧进入变流装置的过电压，其幅值很高
VD4
C4
V3
VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V 电压
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C2 VD3
C2 VD3
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R1
R1 R 2 R2
VD2
50kHz N 50kHz N1 50V 50V 1
VD1
2
VD1
N2 C C V 1 3 2 N
C1 C3 V2
V1
IM
V1 、 V2 构成脉冲放大环 节
I t
脉 冲 变 压 器 TM 和 附 属 电路构成脉冲输出环节
V1、V2导通时，通过脉 t1 t2 t 3 t4 冲变压器向晶闸管的门 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 极和阴极之间输出触发 脉冲。 t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s） t1~t3强脉宽度 VD1 和 R3 是为了 V1 、 V2 由导通变为截止时脉冲 IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT） 变 压 器 TM 释 放 其 储 存 t1~t4脉冲宽度 I脉冲平顶 的能量而设 。 幅值（1.5IGT~2IGT）
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1) 电力MOSFET的一种驱动电路：
电气隔离和晶体管放大电路两部分
+VCC R1 V1 ui R2 R4 R3 + C1 A R5 V2 MOSFET RG V3 -VCC 20V 20V
电 一力 种 驱 动 电 路 的
无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压。 当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压 。 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的 M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A 和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。
保护原则：将过电压的幅值抑制 到安全的限度以内。
a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型电力电子技术
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按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公 共端之间信号的性质分，可分为电流驱动型 和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前 的趋势是采用专用集成驱动电路。
• 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。
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9.1.2 晶闸管的触发电路
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，整个触发电路应包括相位控制电路 和触发脉冲的放大及输出环节。
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9.1.3 典型全控型器件的驱动电路
1. 电流驱动型器件的驱动电路
1) GTO
GTO 的 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。
uG O t
iG O t
使 GTO 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。
1 检测端
13
6
-10V
M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 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）
内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢 速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。
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推荐的GTO门极电压电流波形
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GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电 路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合
式和直接耦合式两种类型。
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。
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4）不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触 发区域之内。 5）各触发脉冲必须同步，移相范围符合要求。
+E
1
+E
VD
1
2
TM
VD
2
R
4
R
1
R
3
V
R
1
2
V
晶 闸 管常 触见 发的 电 路
2
VD
3
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今天我们先讨论放大、输出部分，相控部分后 面讲述。
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晶闸管触发电路应满足下列要求：
1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住 电流的概念）。 一般：电阻性负载电路 20~50μs 电感性负载电路 1ms 三相电路 宽脉冲、双窄脉冲（>=600） 2)触发脉冲应有足够的幅度。 为使并联的晶闸管能同时导通，要求能够产生强 触发脉冲。 强触发电流的幅值为一般触发电流的5倍 左右。 3）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路 的电气隔离。
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MOSFET
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2) IGBT的驱动
多采用专用的混合集成驱动器
4 VCC 14 检测电路 定时及 复位电路 接口 电路 门极 关断电路 13 5 uo ui 8 故障指示 6 VEE
1
4.7k 8 +5V 14 M57962L 1 5 4 100F 100F 快恢复 trr≤0.2 s 30V 3.1 +15V
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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。 单从原理上说，驱动电路主要起开关功率放大的 作用，即脉冲放大器。但是电力电子器件的开关 特性与驱动电路的性能密切相关。同样的器件， 采用不同的驱动电路往往会得到不同的开关特性。