电力电子器件的驱动保护及串并联应用

2.10.1 电力电子器件的驱动

通过控制极加一定的信号使器件导通或关断，产生驱动信号的电路称为驱动电路（晶闸管类器件称为触发电路）。电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可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。

各种不同的电力电子器件有不同的驱动电路，但总体来说，是对驱动信号的电压、电流、波形和驱动功率的要求，以及对驱动电路的抗扰和与主电路的隔离等要求。驱动电路与主电路的隔离是很重要的，驱动电路是低压电路，一般在数十伏以下，而主电路电压可以高达数千伏以上，如果二者之间有电的直接联系，主电路高压将对低压驱动电路产生威胁，因此二者之间需要电气隔离。隔离的主要方法一般是用脉冲变压器的磁隔离或采用光耦器件的光隔离，如图2-23所示。

图2-23 隔离电路类型

对于磁隔离，当脉冲较宽时（如数毫秒），为避免铁心饱和，常采用高频信号（几千赫兹至数十千赫兹）进行调制后再加在脉冲变压器上。而对于光隔离，光耦合器是由发光二极管和光敏晶体管组成并封装于一体，其类型有普通、高速和高传输比三种，内部电路和基本接法分别如图2-24所示。

图2-24 光耦合器的类型和接法

普通光耦合器的输出特性和晶体管相似，只是其电流传输比比晶体管的电流放大倍数β 小得多，一般只有0.1～0.3。高传输比光耦合器的要大得多。普通光耦合器的响应时间约为10 μs。高速耦合器的发光二极管流过的是反向电流，其响应时间小于1.5 μs。在主电路电压等级比较高的情况下，还可以采用光纤来传导控制信号替代电信号的空间传导。

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，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类。晶闸管虽然属于电流驱动型器件，但是它是半控型器件，因此下面将单独讨论其驱动电路。晶闸管的驱动电路常称为触发电路。对典型的全控型器件GTO、功率MOSFET和IGBT，则将按电流驱动型和电压驱动型分别讨论。

应该说明的是，驱动电路的具体形式可以是分立元件构成的驱动电路，但目前的趋势是采用专用的集成驱动电路，包括双列直插式集成电路，以及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路，而且为达到参数最佳配合，应首先选择所用电力电子器件的生产厂家专门为其器件开发的集成驱动电路。

1.半控型器件（SCR）的触发驱动器

晶闸管是电流型驱动器件，采用脉冲触发，为触发晶闸管开通，门极的脉冲电流必须有足够大的幅值和持续时间，以及尽可能短的电流上升时间。控制电路和主电路的隔离通常是必要的。隔离可由光耦或脉冲变压器实现，这两种方式各有优缺点：光电耦合器隔离时两侧的电磁干扰小，但光耦器件需要承受主电路高压，有时还需要在晶闸管侧有一个电源和一个脉冲电流放大器，而用脉冲变压器隔离驱动就不要另加电源，然而，脉冲变压器需要采取措施防止磁芯饱和。

基于脉冲变压器（PTR）和三极管放大器（TRA）的驱动器如图2-25（a）所示。当控制系统发出的驱动信号加至三极管放大器后，脉冲变压器输出电压经D2输出晶闸管的触发脉冲电流IG。三极管放大器的输入信号为零后，脉冲变压器原边电流经齐纳二极管DZ和二极管D1续流并迅速衰减至零，防止脉冲变压器磁饱和。电路中的二极管D2使脉冲变压器副边对门极只提供正向驱动电流IG。

图2-25（b）给出了晶闸管的一个简单光电隔离驱动电路。光电耦合器由发光二极管（LED）和光控晶闸管（LAT）组成。驱动电路的能量直接由主电路获得，当LED触发LAT时，LAT串联电阻R上的电压用来产生门极电流IG。显然，这时LAT必须承受与被驱动的晶闸管一样的高电压。

图2-25 晶闸管（SCR）触发驱动器

现今晶闸管主要应用于交流-直流相控整流和交流-交流相控调压，适用于这些应用的各种驱动触发器都已集成化、系列化。例如目前国内生产的KJ系列和KC系列的晶闸管驱动（触发器），都可供读者选用。

2.全控型器件的驱动电路

全控型器件可分为电流驱动和电压驱动，其驱动电流或电压的波形基本如图2-26所示，一般驱动脉冲前沿要求比较陡（小于1 μs），以保证快速开通；关断时在控制极加一定负电压，有利于减小关断时间和关断损耗。

图2-26 全控型器件的驱动波形

1）GTO的驱动器

虽然GTO的开通和SCR类似，即要求在其门极施加脉冲电流，但由于其关断时要求施加很大的门极负脉冲电流，因此全控型器件GTO的驱动器比半控型器件SCR复杂得多。图2-27中给出了一个门极驱动电路的例子。需要GTO开通时，MOS管M1、M2接收来自控制系统的开通信号（M1、M2为高频互补式方波脉冲电压），两个MOS管M1、M2交替地通、断变换。脉冲变压器PTR传输高频脉冲列，脉冲变压器副边为高频交流脉冲电压UAB，当A为正，B为负时，副边电压UOB从O点经稳压齐纳二极管DZ和电感L产生+IG，再经D2回到B点。当B为正，A为负时，副边电压UOA从O点经DZ和L产生+IG开通GTO，再经D1回到A点。在GTO被+IG驱动的同时，电容C经由四个二极管组成的整流桥充电。GTO导通后，撤除M1、M2控制信号，GTO仍保持通态，电容C已被充好电，积蓄了关断GTO所需能量，一旦需要关断GTO时，控制系统发出关断信号，一方面令M1、M2失去开通信号，同时触发图中的SCR导通，电容C经SCR到GTO的阴极、门极和电感L放电，产生－IG，关断GTO。

图2-27 脉冲变压器的GTO驱动器

光电耦合器隔离的GTO驱动器中，其GTO侧必须有电源提供门极电流，特别是在关断时需要提供很大的关断电流，这是个大缺点。

2）Power MOSFET、IGBT驱动器

电压控制型半导体电力电子器件在稳态时其栅极实际上不取用电流，因此有可能直接通过逻辑门来触发。然而当需要驱动大功率高频开关时，电荷必须尽快传至栅极电容或从其抽出，这就要求在开通和关断信号的起始段有很高的栅极脉冲电流，单独的标准逻辑门自身并不能提供数值很高的正值脉冲驱动电流，也不能吸收IGBT等大功率器件栅极电容在关断时所送出的数值很高的负值脉冲电流，因而严重制约了开关频率的提高。所以，为了充分利用电压控制型器件（尤其是Power MOSFET）的高速能力，驱动器必须能输出和吸收高值暂态脉冲电流。

为简便起见，以下均以Power MOSFET的驱动器为例进行介绍，它们同样也可用于IGBT。图2-28（a）给出了采用专用TTL驱动器CD的一个简单栅极驱动电路，该驱动器CD在逻辑门电压的作用下能提供起始值较大的脉冲电流，因而适用于驱动Power MOSFET等电压型全控电力电子器件。图2-28（b）给出了由脉冲变压器PTR驱动的Power MOSFET，图中的辅助MOS管AM是N沟道增强型MOS管。当有正信号输入时，脉冲变压器副边电压USG经二极管D1（辅助MOS管的寄生二极管D1）向Power MOSFET管提供开通电压并给栅极/源极结电容C充电，这时辅助MOS管反偏（S为正，G为负）而不导通，阻断了Power MOSFET栅极结电容C经AM放电。当有负信号输入时，脉冲变压器副边电压UGS>0，辅助MOS管导通，抽出Power MOSFET管栅极结电容C的电荷，使其关断。

图2-28 Power MOSFET驱动器

图2-29给出了Power MOSFET、IGBT带光耦的驱动器，当有驱动信号时，A点为正电位，T1管导通使Power MOSFET导通。当无驱动信号时，A点为负电位，T2管导通，稳压管DZ的电压VZ作为反压加至Power MOSFET的栅极-源极关断Power MOSFET。

图2-29 光耦隔离的Power MOSFET驱动器

Power MOSFET的驱动电压一般取10～15 V，IGBT取15～20 V，关断时控制极加－15～－5 V电压。(www.xing528.com)

至今各国许多生产厂家已经有各类电力电子开关器件的各种驱动器产品可供电力电子变换器设计者选用。常用的Power MOSFET驱动模块有三菱公司的M57918，其输入电流信号幅值为16 mA，输出最大脉冲电流达＋2 A和－3 A，输出驱动电压＋15 V和－10 V。IGBT驱动模块有三菱公司的M579系列（M57962L、M57959L），富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851），西门子2ED020I12，等。

2.10.2 电力电子器件的保护

电力电子器件承受过电压和过电流的能力较低，一旦电压电流超过额定值，器件极易损坏，造成损失，需要采取保护措施。电力电子装置的过电压和过电流，是由于外部或内部的状态突变造成的，例如雷击，线路开关（断路器）的分合，电力电子器件的通断都会引起电路状态的变化，电路状态的变化将引起电磁能量的变化，从而激发很高的产生过电压。电力电子装置负载过大（过载），电动机“堵转”，以及短路等故障会引起装置的过电流。本文主要介绍过电压和过电流保护的方法。

1.过电压保护（图2-30）

避免过电压产生要在电路状态变化时为电磁能量的消散提供通路，其主要措施有：

（1）在变压器入户侧安装避雷器（图2-30中A），在雷击发生时避雷器阀芯击穿，雷电经避雷器入地，避免雷击过电压对变压器及变流器产生影响。

（2）变压器附加接地的屏蔽层绕组或者在副边绕组上适当并联接地电容（图2-30中B），以避免合闸瞬间变压器原副边绕组分布电感产生过电压。

（3）非线性器件保护。非线性器件有雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管等，这些器件在正常电压时有高阻值，在过电压时器件被击穿产生泄电通路，过电压消失后能恢复阻断能力，其中压敏电阻（图2-30中E）是常用的过电压保护措施，在三相线路上压敏电阻可作星形或三角形连接。

（4）阻容保护（图2-30中C）。利用电容吸收电感释放的能量，电阻限制电容电流，阻容吸收装置比较简单实用。在三相线路上三相阻容吸收装置可作星形或三角形连接。图2-30中D是带不控整流器的阻容吸收装置，其中与电容并联的电阻用以消耗电容吸收的电能。

（5）电力电子器件开关过电压保护。晶闸管电路可以在晶闸管上并联RC吸收电路（图2-30F），全控器件则采用缓冲电路。

（6）整流装置的直流侧一般采用阻容保护和压敏电阻作过电压保护（图2-30中G和H）。

图2-30 电力电子装置的过电压保护

2.过电流保护（图2-31）

图2-31 电力电子装置的过电流保护

（1）快速熔断器。快速熔断器采用银质材料的熔断体，熔断点的电流值较普通熔断器准确，一旦电流超过规定值可以快速切断电路。快速熔断器与器件直接串联，过电流时对器件的保护作用最好，也可以串联在变流电路的交流侧或直流侧，这时对电力电子器件的保护作用减小。

（2）过电流继电器。通过电流互感器检测电流，一旦过电流发生，则通过电流继电器使接触器断开切断电源，从而避免过电流影响的扩大。在小容量装置中也采用带过电流跳闸功能的自动空气开关。

（3）电子保护电路。一般过电流继电器的电流保护值容差较大，继电器的反应速度也较慢，采用电子过流保护装置，一旦检测到过电流可以准确快速地切断故障电路，或者使触发器（或驱动器）停止脉冲输出，使开关器件关断避免器件损坏，这是较好的保护方式。

（4）直流快速开关。大功率直流回路电感储存大量电磁能量，切断直流回路时电磁能量的释放会在开关触点间形成强大电弧，因此切断大功率直流回路需要用直流快速开关，其断弧能力强，可以在数毫秒内切断电路。

因为过电流时器件极易损坏，过电流发生时需要及时切断有关电路避免故障的扩大。过电流继电器和电子保护在故障排除后易于现场恢复，而熔断器保护则需要更换熔断器，因此过电流故障发生时应尽量使电子保护和继电器保护首先动作，熔断器主要作短路保护。全控型器件一般工作频率较高，很难用快速熔断器保护，通常采用电子保护电路。过电压过电流保护元器件参数的计算和选择可以参考《电工手册》，各种保护方法也可根据需要选择，例如小功率装置可以只用压敏电阻和阻容吸收电路作过电压保护，以快速熔断器作过电流保护。另外，功率MOSFET在保管存放时要注意静电防护，MOSFET有高输入阻抗，栅极上容易积累静电荷引起静电击穿，因此器件需要保存在金属容器中而不能使用塑料容器存放，焊接或者测试时电烙铁、仪器和工作台要良好接地。

2.10.3 电力电子器件的串联和并联使用

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。本节将先以晶闸管为例简要介绍电力电子器件串、并联应用时应注意的问题和处理措施，然后概要介绍应用较多的功率MOSFET并联以及IGBT并联的一些特点。

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。理想的串联希望各器件承受的电压相等，但实际上因器件特性之间的差异，一般都会存在电压分配不均匀的问题。串联的器件流过的漏电流总是相同的，但由于静态伏安特性的分散性，各器件所承受的电压是不等的。图2-32（a）表示两个晶闸管串联时，在同一漏感电流IR下所承受的正向电压是不同的。若外加电压继续升高，则承受电压高的器件将首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也转折导通，两个器件都失去控制作用。同理，反向时，因伏安特性不同而不均压，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。这种由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。

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，如图2-32（b）中的RP。RP的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小得多，这样才能使每个晶闸管分担的电压取决于均压电阻的分压。

图2-32 晶闸管的串联

类似地，由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题称为动态不均压问题。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电路与晶闸管并联做动态均压，如图2-29（b）所示。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，因此有利于器件的动态均压。

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。当晶闸管并联时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。均流不佳，有的器件电流不足，有的过载，有碍提高整个装置的输出，甚至造成器件和装置的损坏。

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，采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式连接。

3.功率MOSFET和IGBT并联运行的特点

功率MOSFET的通态电阻Ron具有正的温度系数，并联使用时具有电流自动均衡的能力，因而并联使用比较容易，但也要注意选用通态电阻Ron、开启电压UT、跨导g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做到对称；为了更好地动态均流，有时可以在源极电路中串入小电感，起到均流电抗器的作用。

IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下的区段具有负的温度系数，在1/2或1/3额定电流以上的区段则具有正的温度系数，因此IGBT在并联使用时（正温度系数区间）也具有电流的自动均衡能力，与功率MOSFET类似，易于并联使用。当然，实际并联时，在器件参数选择、电路布局和走线等方面也应尽量一致。