1.7 电力电子器件器件的保护

1. 1.7 电力电子器件器件的保护 1.7 电力电子器件器件的保护 1.7.1 过电压的产生及过电压保护 1.7.2 过电流保护 1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit）

2. 1.7 电力电子器件器件的保护 1.7.1 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 ■

3. 1.7.1 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 ■

4. 1.7.1 过电压的产生及过电压保护 • 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1-35 • RC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 ■

5. 1.7.1 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 ■

6. 1.7.2 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 ■

7. 1.7.2 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 ■

8. 1.7.2 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 ■

9. 1.7.3 缓冲电路（Snubber 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 ■

10. 1.7.3 缓冲电路（Snubber 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 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 ■

11. 1.7.3 缓冲电路（Snubber 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 ■

12. 1.7.3 缓冲电路（Snubber 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 ■

13. 1.7.3 缓冲电路（Snubber Circuit） • 缓冲电路中的元件选取及其他注意事项 • 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 ■

14. 1.8 电力电子器件器件的串联和并联使用 1.8.1 晶闸管的串联 1.8.2 晶闸管的并联 1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点

15. 1.8 电力电子器件器件的串联和并联使用 • 1.8.1 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 ■

16. 1.8.1 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1-41　晶闸管的串联 a)　伏安特性差异　b)　串联均压措施 ■

17. 1.8.1 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 ■

18. 1.8.2 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 ■

19. 1.8.3 电力MOSFET和IGBT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 ■

20. 本章小结 • 主要内容 • 全面介绍各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SIT 图1-42　电力电子器件分类“树” ■

21. 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 ■

22. 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GTO • GTO：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 ■

23. 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 返回 ■

24. 图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 结构 电气图形符号 外形 返回

25. 图1-3 PN结的形成 返回

26. 图1-4 电力二极管的伏安特性 返回

27. 图1-5 电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置 返回

28. 图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 外形 结构 电气图形符号 返回

29. 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 工作原理 双晶体管模型 返回

30. 图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG 返回

31. 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形 返回

32. 图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 电气图形符号 伏安特性 返回

33. 图1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 电气图形符号 伏安特性 返回

34. 图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 伏安特性 电气图形符号 返回

35. 图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形 c) 电气图形符号 b)并联单元结构断面示意图 返回

36. 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形 返回

37. 图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 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

38. 图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性 返回

39. 图1-17 GTR的开通和关断过程电流波形 返回

40. 图1-18 GTR的安全工作区 返回

41. 图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 内部结构断面示意图 电气图形符号 返回

42. 图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 转移特性 输出特性 返回

43. 图1-21 电力MOSFET的开关过程 测试电路 开关过程波形 up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流 返回

44. 图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 内部结构断面 示意图 简化等 效电路 电气图形 符号 返回

45. 图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 输出特性 转移特性 返回

46. 图1-24 IGBT的开关过程 返回

47. 图1-25 光耦合器的类型及接法 普通型高速型高传输比型 返回

48. 图1-26　理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s）　t1~t3强脉冲宽度　 IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4脉冲宽度　　 I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT） 返回

49. 图1-27 常见的晶闸管触发电路 返回

50. 图1-28　推荐的GTO门极电压电流波形 返回