2.8
电力电子器件的系统组成

在实际应用中的电力电子系统一般由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成，如图2.35所示。检测电路检测主电路或现场的信号，提供给控制电路。控制电路根据这些信号并按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断，以此来完成整个系统的功能。保护电路是保证电力电子器件和整个电力电子系统的正常运行而在控制电路和主电路中附加的电路。

2.8.1 电力电子器件的驱动电路

从图2.35可以看出，驱动电路是主电路与控制电路之间的接口。其基本任务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。驱动电路还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。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。

（1）晶闸管的门极驱动

在晶闸管的阳极施加正向电压，并且在门极加上触发电压，晶闸管才能导通。门极触发电压决定每个晶闸管的导通时刻，是晶闸管变流装置中非常重要的组成部分。

1）对触发电路的要求

晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。一般为了减少门极损耗，多采用脉冲触发信号。具体要求如下：

①触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，并且移相范围必须满足电路要求。

②触发脉冲要有足够的功率，并且要留有一定的裕量。

③脉冲要有一定的宽度，其前沿要尽可能陡，这样在晶闸管导通后阳极电压能迅速上升超过擎住电流而维持导通。

2）常用的触发脉冲信号

常用的触发脉冲波形如图2.36所示。其中，图2.36（a）为正弦波触发脉冲信号，其前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合。图2.36（b）为尖脉冲信号，电路比较简单，适用于要求不高的场合。图2.36（c）为矩形脉冲信号，是目前比较常用的触发信号。图2.36（d）为强脉冲信号，其前沿比较陡并且宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合。

3）常用的晶闸管触发电路

晶闸管的驱动电路常称为触发电路。触发电路的作用是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。晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。

常见的晶闸管触发电路如图2.37所示，由V ₂ 、V ₃ 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V ₂ 、V ₃ 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。VD ₁ 和 R ₃ 是为了V ₂ 、V ₃ 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，还需适当附加其他电路环节。

（2）全控型器件驱动电路

1）电流驱动型器件的驱动电路

GTO和GTR是电流驱动型器件。GTO开通控制与普通晶闸管相似，但一般需在整个导通期间施加正门极电流，使GTO关断则需施加负门极电流，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，其驱动电路可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型，如图2.38所示为典型的直接耦合式GTO驱动电路。电路的电源由高频电源经二极管整流后提供，VD ₁ 和 C ₁ 提供＋5V电压，VD ₂ 、VD ₃ 、 C ₂ 、 C ₃ 构成倍压整流电路提供＋15 V电压，VD ₄ 和 C ₄ 提供-15 V电压。V ₁ 开通时，输出正强脉冲；V ₂ 开通时，输出正脉冲平顶部分；V ₂ 关断而V ₃ 开通时，输出负脉冲；V ₃ 关断后 R ₃ 和 R ₄ 提供门极负偏压。

2）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。电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10～15 V，IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15～20 V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5～-15 V）有利于减小关断时间和关断损耗。

以采用光电隔离式的电力MOSFET驱动电路为例，如图2.39所示，该驱动电路主要包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号（即 u _i ＝0）时，高速放大器A输出负电平，V ₃ 导通输出负驱动电压，可使MOSFET关断；当有输入信号（即 u _i 为正）时，A输出正电平，V ₂ 导通输出正驱动电压，可使MOSFET导通。

2.8.2 电力电子器件保护

电力电子器件保护体现为过电压保护、过电流保护、d u /d t 保护和d i /d t 保护。

（1）过电压保护

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，包括操作过电压和雷击过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压和关断过电压。

采用RC过电压抑制电路来抑制外因过电压，如图2.40所示，该电路可接于供电变压器的网侧和阀侧或电力电子电路的直流侧。其工作原理是利用电容电压不能突变的特性吸收过电压，电阻消耗吸收的能量，并抑制回路振荡。

（2）过电流保护

过电流分过载和短路两种情况，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。

快速熔断器是电力电子装置中较有效、应用较广的一种过电流保护措施。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，这对器件过电流的响应是最快的。

如图2.41所示为电力电子系统常用的过电流保护措施。图中，互感器用来检测线路电流，当电流信号超过动作电流整定值时，电子保护电路中的开关电路发出信号给触发电路，使触发脉冲瞬时停止或脉冲后移，从而使电力电子器件关断，达到抑制过电流的目的；检测的电流信号也送到过电流继电器，当过载时，超过继电器整定值，继电器动作于断路器跳闸；快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，当发生短路故障时，如开关电路发出触发信号使晶闸管导通，则电路有短路电流流过，快速熔断器熔断而切除交流供电电源。注意在实现过电流保护时，熔断器保护、继电器保护和电子保护电路相互之间应协调配合，它们的整定电流值或动作时间等应根据实际应用情况确定。

2.8.3 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、d u /d t 或者过电流和d i /d t ，减小器件的开关损耗。缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为d u /d t 抑制电路；开通缓冲电路又称为d i /d t 抑制电路。

如图2.42所示为IGBT的一种缓冲电路和d i /d t 抑制电路的电路图和波形。在无缓冲电路的情况下，d i /d t 很大，关断时d u /d t 很大，并出现很高的过电压，如图2.42（b）所示。在有缓冲电路的情况下，V开通时， C _s 先通过 R _s 向V放电，使 i _C 先上一个台阶，以后因为 L _i 的作用， i _C 的上升速度减慢。V关断时，负载电流通过VD _s 向 C _s 分流，减轻了V的负担，抑制了d u /d t 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。