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类似地，串联器件的动态均压，就是要使器件在开通与关断过程中的瞬时电压分配均衡一致。

在开通时，由于导通时间的不同，慢开通的器件将瞬时受到高电压；

在关断时，由于各器件的反向恢复电荷不同，其关断时间也不同。

先关断的器件在关断瞬时将承受全部的换流反电压，可能导致器件反向击穿而损坏。

为达到动态均压，可采取下列措施：

（1）选择动态参数和特性尽量一致的器件；

（2）在每个器件两端并联RC支路起动态均压的作用，如图6-1b所示；

（3）为了保证各串联器件的同时导通，要求触发脉冲的前沿要尽可能的陡，各器件的触发脉冲相位彼此要尽可能无误差。

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，从而减小串联器件动态电压的失衡。

晶闸管串联时，必须降低电压的定额使用，晶闸管的额定电压UTn应按下式选择：

（6-3）

串联晶闸管的各个阴极处于不同的电位，当串联晶闸管的数目较多时，串联臂两端的晶闸管门极电位相差很大，所以串联晶闸管的触发电路末极必须有足够的绝缘强度。

典型的触发电路末极有脉冲变压器输出式和光电触发电路两种，脉冲变压器式触发电路末极由于耐压的限制，一般只适用于几只晶闸管串联的触发；

光电触发电路采用光导纤维构成的光缆来传递门极触发信号，由于光纤具有良好的绝缘性能，又有较宽的频率响应，所以可以获得较为理想的触发脉冲波形，这种触发方式已在直流输电、静止无功补偿等高电压电力电子装置中得到广泛应用。

二．电力电子器件的并联

当电力电子器件的额定电流小于实际要求时，可以用数个同型号器件相并联。

当n个同型号器件并联使用时，理想情况下并联各器件流过的电流相等，均为总电流的n分之一。

但实际上，由于器件正向导通时的伏安特性和动态参数的不同，晶闸管器件直接并联时，在相同管压降下各并联器件负担的电流可能相差很大，如图6-2所示，造成有的器件电流不足，有的过载。

为了使并联器件达到电流平均分配，除选用特性和参数比较一致的器件外，还应采取相应的均流措施。

并联器件的均流措施包括静态均流和动态均流两种。

图6-2晶闸管的并联

并联器件的静态均流，就是要使器件处于导通状态时所流过的电流均衡一致。

为达到静态均流，在每条并联支路串接均流电阻Rj或串接快速熔断器（代替电阻），这是防止静态不均流的有效方法，如图6-3a所示。

图中Rj的阻值应大于晶闸管导通后的内阻，有时还可以给管压降小的器件串接较大的电阻，给管压降大的器件串接较小的电阻，以达到均流的目的。

显然，这种方法虽然简单，但电阻上有功率损耗，因此只适用于小容量的装置。

图6-3晶闸管并联的均流电路

a）电阻均流电路b）电抗均流电路

对于大容量装置，比较实用的是用电抗器均流。

均流电抗器一般分两种，一种是带铁心的电抗器，另一种是不带铁心的电抗器。

串联电抗器不仅能起到均流的作用，还能抑制电力电子器件承受的di/dt与du/dt。

串联电抗器一般采用空心电抗器，它的缺点是体积和重量都很大。

图6-3b为采用带铁心电抗器的均流电路，它是在一个铁心上绕有匝数相同、绕向相反的两个线圈，并分别串接在并联电路中。

当并联连接的两只晶闸管中流过的电流均匀一致时，铁心内励磁安匝相互抵消，电抗器不起作用；

若电流不相等，则合成励磁安匝产生电感，在两管与电抗器回路中产生环流，使电流小的增大、电流大的减小，从而达到均流目的。

铁心电抗器体积较小，但由于电抗器通电后铁心会发生饱和，故一般用在电流较小的场合或只用来限制di/dt与du/dt。

电抗器均流损耗小，适合于大容量器件的并联，同时电抗器也能起到动态均流的效果。

并联器件的动态均流，就是要使器件在开通和关断的动态过程中瞬时电流的分配均衡一致。

多个器件并联，若一个管子先导通且管压降较低时，可能导致其它并联管子不能触发导通，使先导通的管子承担全部电流而烧毁。

因此，并联器件开通延迟时间不一致是动态不均流的重要原因。

为达到动态均流，可采取下列措施：

（1）选取开通延迟时间比较一致的晶闸管；

（2）多个晶闸管器件并联时，要求各晶闸管触发脉冲的前沿要尽可能的陡，各触发脉冲相位彼此要尽可能的小，尽量保持导通一致；

（3）串联均流电抗器也是实现动态均流的有效手段。

当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的联接方法。

另外，在大容量设备中，常用整流变压器二次侧分组整流，然后再将多个整流电路的输出串联或并联，这种接法不需要再附加均压或均流措施。

三．自关断器件的串联和并联

常见的GTO、MOSFET、IGBT等自关断器件的电流容量和电压等级都低于晶闸管元件，在大容量整机的应用中需要串联或并联使用，有时需要将整流器或逆变器进行串并联，以构成电流更大和电压更高的变流装置。

与SCR串并联运行相似，自关断器件的串并联使用，也需要解决串联均压和并联均流的问题。

1．可关断晶闸管GTO的串并联

在自关断器件中，可关断晶闸管GTO具有较高的电压和电流容量，是高压大容量逆变装置的首选器件。

可关断晶闸管GTO可以串并联使用，以提高装置的电压和电流容量。

GTO串联的典型电路如图6-4所示。

图中R11~R22为静态均压电阻，电感L为动态均压电感，GTO的缓冲电路是RDC网络，同时起动态均压的作用。

图6-4GTO的串联电路

GTO在进行串联时，由于它的存储时间较长，存储时间的分散性较大，造成GTO的串联均压困难。

为了平衡存储时间差异造成的关断动态过电压，需要较大容量的吸收电容C，这会在与电容串联的电阻中损耗较大的电能，使得均压效果难以提高。

为了解决这个问题，发展出门极硬驱动技术以及相应的GTO晶闸管，使得GTO串联时的许多有关难题得到解决和减轻，同时降低了开通和关断电路中的损耗，改善了均压性能。

由于GTO具有较高的阻断电压，在电力牵引、电力系统谐波补偿等大容量场合得到广泛的应用。

在大容量场合，GTO的并联是需要的。

采用均流电抗器均流，可以有效地补偿并联GTO器件之间开关特性差异以及通态压降差异造成的不均流。

但GTO的关断过程比较快，如处理不好均流电抗器中储存的能量，在关断过程中就会产生较高的过电压。

为了消除此过电压，可采用由反馈变压器将均流互感器中储存的能量反馈回直流电源的电路，如图6-5所示。

此图是GTO直-交逆变器的一个臂的电路，可以看出，此能量反馈电路增加了电路的复杂程度。

图6-5采用均流电抗器均流的GTO并联电路

直接并联法不需要均流电抗器，而将GTO直接并联连接，如图6-6所示。

在图6-6a中每个GTO的门极串入一定阻抗后与门极信号相连接，此电路为非门极耦合电路；

在图6-6b中，先将各GTO的门极联在一起然后再接一阻抗，这种电路称为门极直接耦合电路。

实践证明，门极直接耦合电路比非门极耦合电路的均流效果要好。

图6-6GTO的直接并联电路

2．电力场效应晶体管MOSFET的并联

电力场效应晶体管MOSFET的频率特性好，驱动保护较容易，但是单只器件的电流容量较小，在大电流场合常采用多只器件并联使用。

MOSFET的通态电阻R0n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R0n、开启电压UT、跨导Gfs和输入电容Ciss尽量相近的器件；

电路走线和布局应尽量对称；

为了更好地实现动态均流，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。

3．绝缘门极晶体管IGBT的并联

IGBT是电压控制型器件，它的末极双极晶体管不会进入深饱和区。

因此它的存储时间比GTR小的多，驱动电路也不必考虑避免进入深饱和区的问题，使驱动电路比较简单。

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，因而IGBT在并联使用时，也具有电流的自动均衡能力，与MOSFET类似，易于并联使用。

实际并联时，在器件参数选择、电路布局和走线等方面应尽量一致。

为了实现并联IGBT器件开通及关断过程中的瞬态均流，必须仔细匹配好影响开通时间和关断时间的各项参数，使各并联IGBT的器件的开通和关断时间基本保持一致。

当工作频率较高时，开通及关断动态过程所占时间的比例增加，动态均流的影响要大于静态均流，此时对影响动态均流的参数的匹配就需要更为严格一些，才能获得较好的均流效果。

第二节过电压与过电流保护

由于电力电子器件热容量小，承受过电压与过电保护流的能力很差，短时间的过电压和过电流都可能造成器件的损坏。

交流电网电压的波动、负载瞬变、功率器件的断续导电或者输入电源缺相等等都会引起电压的变化。

因此在电力电子中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是非常必要的。

过电压与过电流保护电路，大致可以分为两种情况：

一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等；

再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，通过系统硬件或软件封锁输出或进行报警处理。

一．过电流及其保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会引起电路中的电力电子器件的电流超过正常工作电流。

过电流又分过载和短路两种情况。

常用的过电流保护措施如图6-7所示。

图6-7晶闸管装置可能采用的过电流保护措施

A—交流进线电抗器B—电流监测和过流继电器

C、D、E—快速熔断器F—过流继电器G—直流快速开关

1．串接交流进线电抗器或选用漏抗大的整流变压器（图中Ａ）

利用电抗器限制短路电流，这种方法在负载电流大时存在较大的交流压降，通常以额定电压３％的压降来计算进线电抗值。

2．过流继电器（图中Ｂ）

过流时使交流开关Ｋ跳闸切断电源，此法由于开关动作需几百毫秒，故只适用于短路电流不大的场合。

另一类是过流信号控制晶闸管触发脉冲快速后移至α＞90°

区域，使装置工作在逆变状态，迫使故障电流迅速下降，此法亦称拉逆变保护。

对于电流超出规定值出现过载时，可增大管子的控制角α，减小管子的导通角θ，使电流限制在允许范围内。

3．直流快速开关（图中Ｇ）

对于变流装置功率大且短路可能性较多的高要求场合，可采用动作时间小于２ms的直流快速开关，它可以先于快速熔断器熔断而保护晶闸管，但此开关昂贵且复杂。

4．快速熔断器（图中C、D、E）

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。

它是最简单、有效的过电流保护器件。

与普通熔断器相比，它具有快速熔断特性，在流过６倍额定电流时熔断时间小于20ms。

快熔可接在交流侧，直流侧，也可以和晶闸管桥臂串联，后者保护最直接，效果最好。

与晶闸管串联时，快熔额定电流选用要考虑熔体额定电流IRD是有效值，其值应小于被保护晶闸管的额定有效值，同时要大于流过晶闸管实际最大有效值ITM。

即：

1.57IT（AV）≥IRD≥ITM（6-4）

在选择快熔时应作以下考虑：

ｌ）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定；

２）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。

快熔一般与电力电子功率器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中；

３）快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值；

４）为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应选择适当的电流-时间特性。

5．电流检测

对于一些重要的、且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。

除了对电动机起动的冲击电流等变化较慢的过电流可以利用控制系统本身调节器对电流的限制作用之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过流之后直接调节触发或驱动电路，或者关断被保护器件。

（1）电流互感器

这种方法损耗小，与主电路隔离，使用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄（主要用来测工频），且有一定滞后，多用于高压大电流的场合。

如图6-8所示。

图中，R为取样电阻，取样信号为

（6-5）

式中M为互感器绕组匝数。

电流互感器检测后一般要通过整流后再用电阻取样，如图6-9a。

电流互感器测量同相的脉冲电流IP时，副边也要用恢复二极管整流，以消除原边复位电流对取样信号的影响，如图6-9a所示。

在这种电路中，互感器磁芯单向磁化，剩磁大，限制了电流测量范围，可以在副边加上一个退磁回路，以扩展其测量范围，如图6-9b所示。

（2）霍尔传感器

在工频供电情况下，根据被检测电流大小选择电流互感器及变流比，可以满足生产过程控制或检测的需要。

采用电力电子器件以后，随着器件开关速度的提高，常规的电流互感器已经不能满足系统控制、保护等的需要。

现在广泛使用霍尔电流传感器检测电流。

它具有精度高、体积小、线性度好、频带宽、响应快等一系列优点，可广泛应用于电力、电子、变频器、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域，可完全替代传统的互感器和分流器。

霍尔电流传感器的基本原理是霍尔效应：

金属或半导体薄片放在磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通过电流时，在薄片的两侧面出现电势差，这个电势差就称为霍尔电压或霍尔电势。

利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件或霍尔传感器。

半导体材料的霍尔效应比金属材料的霍尔效应强，通常使用半导体材料做霍尔元件。

图6-10为霍尔效应原理图。

市场上销售的电流霍尔传感器有两种形式：

电流输出和电压输出。

电流输出型电流霍尔传感器的输出信号是和被测电流成正比的电流信号，使用时需要接上适当电阻，将电流信号转变为电压信号；

电压输出型电流霍尔传感器中已经集成了放大器，接入电源（通常为正负电源），当被测电流经过霍尔元件时，可以直接输出和电流成正比的电压信号。

在高性能电力电子装置中霍尔传感器已成为电流检测的主力。

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。

在选择各种保护措施时应注意相互协调。

通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的最后保护措施，非不得已希望不要熔断。

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。

二．过电压及其保护

电力电子器件对电压非常敏感，一旦外加电压超过器件所允许的最大额定值，器件将立即损坏。

因此应分析过电压的原因，予以抑制。

1．雷击过电压由雷击引起的过电压。

2．操作过电压由系统中交流侧电路的分闸、合闸等开关操作引起的过电压。

电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器一、二次绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。

解决办法是在单相变压器二次侧或三相变压器二次侧星形中点与地之间并联0.5F左右的电容，也可在变压器一、二次绕组之间加屏蔽层。

整流变压器空载且电源电压过零时一次侧断电，因变压器励磁电流突变导致二次侧感应瞬时过电压。

一般来说，开关速度越快过电压越高。

为抑制交流侧操作过电压，可采用RC吸收回路按图6-11所示形式连接。

图6-11交流侧阻容电路的几种接法

3．换相过电压

主要来自电力电子器件的开关过程。

当晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在受反压关断、正向电流下降到零时，器件不能立刻恢复阻断能力，其内部仍残留着许多载流子，在反向电压作用下会出现瞬时的反向电流，使残存的载流子迅速消失（恢复）。

由于反向电流的消失速度极快即di/dt很大，这样的电流突变会因线路电感而在器件两端产生很高的瞬时过电压。

此过电压与外电压串联，可达工作峰值电压的5~6倍。

以晶闸管为例，其关断电压、电流波形如图6-12所示。

图6-12晶闸管关断时的电压电流波形

全控型器件开关速度快，当器件关断时，正向电流突变，由于线路电感的存在，也会在器件两端产生过电压。

对于这种尖峰状的瞬时过电压，常用的方法是在电力电子器件两端并联电容，利用电容电压不能突变的特性吸收尖峰过电压，把它限制在允许范围内。

实用时为了防止电路振荡和限制电流上升率，常将一电阻与电容串联，称为阻容吸收电路，如图6-13所示。

阻容吸收电路要尽量靠近电力电子器件，最好采用无感电阻。

图6-13阻容吸收电路

晶闸管的阻容吸收电路参数可按表6-1提供的经验数据，电容耐压为器件电压的1.3倍，电阻功率可按下式选取

（6-6）

式中f—频率；

Pr—电阻功率（W）；

Um—晶闸管峰值工作电压（V）；

C—与电阻串联的电容（F）。

表6-1晶闸管阻容电路经验数据

晶闸管额定

电流/A

1000

500

200

100

50

20

10

电容/F

2

1

0.5

0.25

0.2

0.15

0.1

电阻/

5

40

80

4．直流侧持续过电压

上述3种情况均为瞬态过程尖峰过电压，能量有限。

在某些电力电子电路工作过程中，比如PWM整流、变频调速带势能负载等，由于控制失误或负载能量回馈，将使直流侧电压持续升高，给设备造成极大威胁。

这种情况通常采用电子保护电路，检测直流侧电压值，当直流侧电压超过允许值时，通过系统硬件或软件进行处理或报警。

以上各种过电压现象中雷击过电压和操作过电压通常称为外因过电压，换相过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，通常称为内因过电压，直流侧持续过电压也应并入外因过电压的范畴。

5．各种常见过电压保护措施

图6-14示出了各种过电压保护措施及其配置位置，可视具体情况采用其中的几种。

其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路的范畴。

（1）压敏电阻

压敏电阻是金属氧化物非线性元件，具有保护水平高、通流能力大、响应速度快、无极性、体积小、价格便宜等一系列优点，可用来限制操作过电压、雷击过电压和尖脉冲过电压，既可以用作直流侧的过压保护，也可以用在交流侧，但不能用作限制du/dt保护，故不宜并接在晶闸管两端。

图6-14各种过电压保护措施及其配置位置

F—避类器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

压敏电阻有两个电极，承受正常电压时两电极之间仅有100A左右的漏电流，损耗很小；

过电压时则引起电子雪崩，使两电极之间通过的电流迅速增大，可以通过数千安培的放电电流，以吸收过电压。

压敏电阻的伏安特性如图6-15所示，由图中可见，压敏电阻具有对称的U-I特性。

主要参数为：

1额定电压Ue：

漏电流为1mA时的端电压，亦称U1mA；

2残压比：

放电电流达规定值IY时的电压UY与U1mA之比；

3允许通流容量：

规定脉冲波形下允许通过的最大冲击电流。

图6-15压敏电阻的伏安特性与符号

压敏电阻的额定电压通常以电路最大峰值电压的1.2倍选取。

压敏电阻实际受到的最大浪涌电流很难计算，一般情况在供电变压器容量大，供电线路短且不安装阀型避雷器的场合，应选择较大通流容量。

（2）硒堆

若干片硒整流元件组成硒堆，它具有寿命长、自愈性好、组装灵活等特点。

硒堆正向为二极管特性，而具有较陡的反向非线性特性，当其反向电压超过转折电压时，反向电流增加很快，能消耗较大的瞬时功率，过电压被限制在硒堆的反向击穿电压。

常将硒堆反向对接用作过电压保护，使双向具有稳压管特性。

（3）RC过电压抑制电路

在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的，其典型联结方式见图6-16。

RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。

对大容量的电力电子装置，可采用图6-17所示的反向阻断式RC电路。

图6-16RC过电压抑制电路联结方式

a）单相b）三相

图6-17反向阻断式过电压抑制ＲＣ电路

（4）避雷器

阻容吸收保护只适用于峰值不高、过电压能量不很大以及要求不高的场合。

对于电网遭受雷击或从电网侵人的干扰过电压称为偶发性浪涌电压，要求高的场合通常采用阀型避雷器。

（5）电压检测

采用电子电路检测电压信号可以用于电力电子电路和器件的过压、欠压保护。

电压信号的检测可用电阻分压、线性光耦、电压互感器或霍尔传感器等方法。

电阻分压法用电阻网络将高压进行分压，得到按比例缩小的低电压。

该方法使用简单，但其精度受外界环境（主要是温度）影响较大，且不能实现隔离，如果作为模拟反馈量进行A/D转换，需要加入隔离放大器。

该方法适用于低压系统。

电压互感器法和霍尔电压传感器法与电流互感器和霍尔电流传感器类似，电压互感器只能用于检测交流电压，适用于高压系统中。

霍尔电压传感器具有反应速度快和精度高的特点，即可以检测直流电压，也可以检测交流电压，但成本较高；

采用高性能的线性光耦可以降低成本，像HP公司生产的线性光耦HCNR200/201等具有很高的线性度和灵敏度，可精确地传送电压信号。

除以上各种措施外，还可采取改变器件工作方式（如软开关）；

适当延长全控型器件关断时间；

改善安装工艺，减少电路分布电感等措施避免过电压的发生。

（6）瞬态电压抑制器

瞬态电压抑制器TVS是（Transientvoltagesuppressor）的缩写，当其两端承受瞬时高压时，能以10-12s的速度从高阻变为低阻，吸收高达数千瓦的浪涌。

TVS具有单向和双向两种保护方式，接线形式与压敏电阻相同，产品有时用稳压管符号来表示。

第三节缓冲电路

一．缓冲电路