电力电子应用技术书74节.docVIP

PAGE  PAGE 44 7.4 电力电子器件与变流器的串并联技术 在大容量的电力电子装置中，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求，或单个机组的容量不能满足要求时，常常将多个电力电子器件串联或并联，或者将多个变流器单元（机组）串联或并联，以组成更大容量的装置。器件和机组的串联或并联都带来相应的技术问题，下面逐一介绍。 7.4.1 电力电子器件的串联和并联 1．电力电子器件的串联 电力电子器件串联要解决的首要问题是均压问题，包括动态均压和静态均压。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间的差异，一般都会存在电压分配不均匀的问题。 （1）静态均压 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7-25为两个晶闸管串联的情况。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决定于均压电阻的分压。 （2）动态均压 开关器件总处在开通和关断的动态过程中，元件两端的电压应力变化很大，因此可以说，动态均压和静态均压对元件可靠运行同等重要。由于器件动态参数和特性的差异，势必造成串联器件的不均压，即所谓动态不均压问题。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并联支路来产生动态均压，如图中所示。对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发也可以显著减小器件开通时间上的差异。 在自关断器件中，GTO晶闸管具有较高的电流和电压容量，是高压大容量逆变装置的首选器件。过去在GTO晶闸管进行串联时，由于它的存储时间较长，存储时间的分散性较大，造成GTO晶闸管的串联均压困难。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器C，这会在与电容串联的阻尼电阻R中损耗较大的电能，使得均压效果难以提高。为了解决GTO因存储时间差异较大造成的串联均压困难，发展出门极硬驱动技术及相应的GTO，解决了串联时的许多有关??题，同时降低了开通和关断均压电路中的损耗，改善了均压性能。主要措施如下：  = 1 \* GB3 ① 采用di/dt高达3kA/μs的硬关断门极负脉冲，使GTO晶闸管的存储时间由20μs左右降低到1μs左右，从硬驱动门极负脉冲及普通驱动门极脉冲的关断波形的差异来看，原有的存储时间tds已基本消除。  = 2 \* GB3 ② 采用强硬驱动门极正脉冲加快开通，开通过程的延迟时间可以从几微秒下降到1μs之内，串联GTO晶闸管的开通延迟时间的差异大大减小。所以硬驱动不仅解决了关断动态均压的问题，同时也解决了开通瞬态均压的问题。 由于硬驱动措施的应用，对一个3000A/4500V的GTO晶闸管，开通损耗下降约2/3，开通过程的均压得到明显的改善。对于关断性能的改善更大，上述3000A最大可关断电流的GTO晶闸管采用硬驱动后，能关断5500A的电流，几乎是原来可关断电流的两倍，关断吸收电容可减小到原来的1/6，关断损耗减小到原来的1/10以下。这样，GTO晶闸管串联困难的问题由于硬驱动而得到妥善的解决，使得大容量MVA级的GTO晶闸管变流器的性能提高到一个新的水平，从而扩展出许多新的应用领域。 两只GTO晶闸管串联的硬驱动电路原理如图7-26所示。图中、为静态均压电阻，、及、为开通及关断的瞬态均压阻容，由于采用硬驱动后开通时间及关断时间的分散性很小，使得它们的匹配较容易。门极硬驱动回路中、及、为高频变压器，采用50kHz左右的方波给硬驱动电路提供电能，电容、及、为无感电容器，分别提供正驱动及负驱动的门极电流。、及、分别为正驱动电路及负驱动电路的分布电感，在硬驱动电路中布线时应尽量缩短线长，并避免互相交叉干扰，以保证门级脉冲前沿的电流上升率达到3kA/μs。、及、分别为正驱动电路及负驱动电路的光控开关。、导通时提供正驱动脉冲，使GTO晶闸管串联臂开通；、导通时提供负驱动脉冲，使GTO晶闸管关断。 当IGBT器件直接串联时，影响其动态均压的因素也较多，如门槛电容、输入电容、密勒电容及栅极电阻、栅极驱动电压的波形等。这些因素共同影响了串联IGBT开通及关断时间的一致性，使得直接串联的IGBT的动态均压复杂化。而是用多电平逆变器技术代替了IGBT直接串联的应用。 在高压逆变器中，为了获得良好的均压效果及理想的输出波形，往往采用多电平逆变电路，此时采用电源电压分压钳位法来保证串联IGBT的均压。常用的五电平逆变器的一相上下桥臂的电路如图7-27所示，读者可根据第3章有关多电平电路的介绍自行分析其工作原理。由于采用了二极管对电源电压的分压嵌位，每只串联IGBT器件只承受电源电压的1/4，并获得较好的均压效果。当输