电力电子器件应用的共性--驱动、保护、串并联的重要意义

今天我们聊一聊电力电子器件应用的共性--驱动、保护、串并联...

1.驱动

谈到功率半导体器件，出来不可控的，其他的应该都涉及到主动开关吧，那怎么开怎么关呢？这就是驱动，电力电子主电路与控制电路之间的接口。良好的驱动电路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。

驱动电路的基本任务就是，按控制目标的要求给器件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)。

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。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：由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。大致分为普通、高速和高传输比三种类型。

➤磁隔离的元件通常是脉冲变压器：当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法。

①晶闸管的触发电路

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，往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。

触发电路应满足以下几点要求：

➤触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载的变流器 应采用宽脉冲或脉冲列触发；

➤触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3~5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1~2A/s；

➤触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可 靠触发区域之内；

➤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。

②常见的晶闸管触发电路

由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲；VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它 电路环节。

③电流驱动型器件的驱动电路

我们知道，GTO和GTR是电流驱动型器件。那它们的驱动电路一般是怎么样的呢？

GTO

推荐的GTO门极电压电流波形

开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和 陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流，使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高。GTO一般用于大容量电路的场合，其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。

典型的直接耦合式驱动电路如下：

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；缺点是功耗大，效率 较低。电路的电源由高频电源经二极管整流后提供，VD1和C1提供+5V电压，VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压，VD4和C4提供-15V电压。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。

GTR

理想的GTR基极驱动电流波形

开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断时，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。

GTR的一种驱动电路如下：

包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。VD2和VD3构成贝克箝位电路，是一种抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态；C2为加速开通过程的电容，开通时R5被C2短路，这样可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。

④电压驱动型器件的驱动电路

电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻；使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V，使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取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。

电力MOS的一种驱动电路：

包括电气隔离和晶体管放大电路两部分；当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。

IGBT多采用混合集成电路，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）。当然发展至今已经涌现出各式各样的驱动芯片了，大家实际工作中可以慢慢了解和积累。

2.保护

围绕着功率半导体设计时，保护这块的重视程度估计是很大的，它直接关系到器件的可靠性，以及产品的可靠性和寿命，今天我们简单聊一下过电压、过电流和缓冲电路。

①过电压

过电压分为外因过电压和内因过电压两类。

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括

➤操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。

➤雷击过电压：由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括

➤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，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。

➤关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件 两端感应出的过电压。

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

过电压抑制措施及配置位置

➤各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种；

➤RC3 和RCD为抑制内因过电压的措施。

➤抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路；

➤采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。

②过电流

过电流分过载和短路两种情况。

过电流保护措施及其配置位置如下：

快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施，一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。通常，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。

快速熔断器（简称快熔）：是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：

▲电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定；

▲电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定；

▲快熔的I²t值应小于被保护器件的允许I²t值；

▲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可分为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：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，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，器件对电流的响应是最快的。

③缓冲电路

缓冲电路（Snubber Circuit）又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。

➤分为关断缓冲电路和开通缓冲电路

关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路，用于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：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

➤还可分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路

耗能式缓冲电路：缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上。

馈能式缓冲电路：缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，也称无损吸收电路。

而我们通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路区别叫做di/dt抑制电路。

下面是一种缓冲电路和di/dt抑制电路的电路图：

在无缓冲电路的情况下， di/dt很大，关断时du/dt很大， 并出现很高的过电压，如下图所示：

在有缓冲电路的情况下，V开通时，Cs先通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因为Li的作用，iC的上升速度减慢；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。因为关断时电路中（含布线）电感的能量要释放，所以还会出现一定的过电压。

关断过程：

无缓冲电路时，uCE迅速上升，负载线从A移动到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。

有缓冲电路时，由于Cs的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降，因此负载线经过D到达C。负载线在到达B时很可能超出安全区，使V受到损坏，而负载线ADC是很安全的，且损耗小。

缓冲电路的另外两种形式：

RC缓冲电路 放电阻止型RCD缓冲电路

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。

3.串/并联

对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。

①晶闸管的串联

当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联，但是会存在电压不均衡的问题：

➤静态不均压问题：

由于器件静态特性不同而造成的均压问题；为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。

➤动态不均压问题：

由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题。

为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外还可以用RC并联支路作动态均压；对于晶闸管来讲，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。

伏安特性差异 串联均压措施

②晶闸管的并联

大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。晶闸管并联就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此外还可以采用均流电抗器；同样，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。

③电力MOSFET的并联

➤MOS的Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡能力，容易并联；

➤应选用Ron、UT、Gfs和输入电容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。

④IGBT的并联

在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数；在以上的区段则具有正温度系数；也具有一定的电流自动均衡能力，易于并联使用。在器件参数和特性选择、电路布局和走线、散热条件等方面也应尽量一致。