聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第8章4

8.5电力半导体器件的驱动电路驱动电路——主电路与控制电路之间的接口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。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。8.5.1驱动电路的一般结构控制电路电气隔离驱动环节电路电力电子电路负载驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。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磁隔离的元件通常是脉冲变压器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型按照驱动信号的性质，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可以是分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。分类：8.5.2晶闸管的触发电路触发电路：向晶闸管供给脉冲的电路。种类：单节晶闸管触发电路；小容量晶闸管触发电路；晶体管触发电路触发电路的组成1、同步电路：使触发脉冲每次产生的时刻，都能准确地对应着主电路电压波形上控制角为α的时刻。2、移相控制：调节触发脉冲每次产生的时刻（即调节控制角α的大小）3、脉冲形成：产生一定功率的脉冲4、脉冲功率放大同步电路移相控制脉冲形成脉冲功率放大脉冲输出主电路电压信号移向调节信号脉冲电源触发电压波形1.晶闸管触发电路的要求（1）触发电压ug和电流足够大，4V，10V。脉冲电流的幅度应为器件最大触发电流的3~5倍。(2)由于晶闸管从截止状态到完全导通需要一定时间(一般在10us以内)，因此，触发脉冲的宽度t1必须在10us以上(最好有20us一50us)，才能保证晶闸管可靠触发。∵环境温度改变，使晶闸管触发电压从ug1→ug2，晶闸管开始触发时间从t1→t2，→触发时间推迟(3).触发脉冲的前沿要陡，最好10μsIIMt1理想的晶闸管触发脉冲电流波形t2t3t4it(5).在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应和主电路同步，二者频率应该相同，且要有固定的相位关系，使每一个周期都能在同样的相位上触发，脉冲发出的时间能够平稳地前后移动(移相)，移相范围要足够宽。(4).不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V，为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个1V～2V的负偏压2.单节晶体管触发电路优点：线路简单、可靠、前沿陡、抗干扰能力强、能量损耗小、温度补偿性能好等。应用：50A以下单相或三相半控桥式系统。1）单节晶体管的结构和特性发射极e基极b1基极b2结构：图形符号等效电路:rb1─第一基极与发射极之间电阻rb2─第二基极与发射极之间电阻A点电压:bbbbbbbAUUrrrU211bbbbbbbAUUrrrU211η─分压系数(分压比)，与管子结构有关，η＝0.3~0.9特性曲线当UeUA，PN结受反压，Ie很小，且Ie0，此时rb1阻值很大当Ue＝UA，Ie＝0当UeUA，且Ue-UAUD，虽PN结正向偏压，但Ie不显著↑，晶体管处于截止状态(UD─硅二极管正向压降，0.7V)当Ue＝UA＋UD，e对b1导通Ie↑→N型硅片注入大量空穴型载流子到b1与电子复合→rb1迅速↓→UA↓，Ie进一步↑→rb1进一步↓→UA急剧↓，……，呈现负阻特性。峰点P，峰点电压UP，峰点电流IP谷点V，谷点电压UV，谷点电流IV。当Ue↓到UV，rb1不再显著变化，Ue也不再继续↓。随Ie↑，Ue按线性关系↑V点以后的区域为饱和区当UeUV，e与b1间恢复截止2）单节晶体管的自振荡(张弛振荡)电路合上S，E通过R1、R2加于b1、b2，同时又通过R向C充电UC按指数曲线升高当uC＝UP，晶体管由截止→导通，C通过e、b1迅速向R1放电，∵R1较小，而导通后rb1迅速↓，∴C放电很快，在R1上得到一个尖峰脉冲输出电压u0∵R较大，当uC↓→UV，经R供给的电流IV，单节晶体管恢复截止此后E又对C冲电，……。（1）当uC＝UP，通过R流入单节晶体管电流必须大于IP，单节晶体管才能由截止→导通，即PPPIRUEI产生振荡的条件（2）当Ue=UV，为确保能恢复截止，通过R流入单节晶体管的电流必须小于IV，即VVVIRUEI充电电阻R必须满足：VVPPIUERIUEu0振荡周期T，由C的充电时间常数(RC)决定，近似等于C两端电压uC由0→UP所需的时间：11lnRCTR1两端脉冲宽度，决定于C的放电时间常数(R1C)，可到数十微秒。当uC＝UP时，e—b1导通，∴R1上输出u0的幅值U0m是由UP决定，而UP＝ηUbb＋UD，∴要↑U0m，可选η大一些的管子，或↑电源电压(即↑Ubb)。R2用来补偿温度对峰点电压UP的影响。要求：必须使触发脉冲与主电路电压同步也就是，在晶闸管受正压的半周内，第一个脉冲的时刻都相同。3）单节晶体管触发电路为此：在电源电压正半周过零时，C必须把电全部放掉，在下一个正半周再重新从零开始充电。主电路：单相半控桥式整流电路负载RL触发脉冲由R1取出单结晶体管触发电路，用于中小型可控整流装置同步变压器T，与主电路共一电源，经四个二极管整流，提供与主电源同步的电压uDUD，与主电源电压同步经稳压管削波→梯形波电压uS梯形波电压uS梯形波电压uS通过R向C充电，当uCUP时，uC通过e─b1、R1放电，从R1上取出触发脉冲，加在晶闸管控制极和阴极上发出第一脉冲时，晶闸管导通；当电压过零反向时，晶闸管自行关断第一脉冲后，振荡电路仍工作，C继续充、放电，可能发出第二、三个或更多脉冲，但不起作用电压uS过零uS过零时，b1─b2电压也↓到0。e─b1导通，uC通过e─b1、R1很快放掉，使C每次均能从零开始充电，从而与主电路同步电压uS过零时，uC通过e─b1、R1很快放掉，使C每次均能从零开始充电移相控制：改变R可以改变uC↑到UP时间，即改变C开始放电产生脉冲使晶闸管触发导通的时刻8.5.3全控型器件的驱动电路1.电流驱动型器件的驱动电路1）GTO的驱动电路GTO的导通控制与普通晶闸管相似，但对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，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。OttOuGiG推荐的GTO门极电压电流波形驱动电路通常包括导通驱动电路、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。直接耦合式驱动电路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，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路：•二极管V1和电容C1提供+5V电压•V2、V3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压•V4和电容C4提供-15V电压•VT1开通时，输出正强脉冲•VT2开通时输出正脉冲平顶部分•VT2截止而VT3开通时输出负脉冲•VT3截止后R3和R4提供门极负偏压典型的直接耦合式GTO驱动电路2）GTR的驱动电路开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区关断GTR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。tOib理想的GTR基极驱动电流波形GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分GTR的一种驱动电路二极管V2和电位补偿二极管V3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如VT5发射极电流全注入GTR，会使GTR过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，V2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc≈0。C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。对栅极驱动电路的要求：1.栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；2.使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V；3.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；4.发生过载或短路故障时能快速封锁输入控制信号，并快速使极间电容放电，关断管子。5.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。2.电压驱动型器件的驱动电路无输入信号时高速放大器A输出负电平,VT3导通输出负驱动电压当有输入信号时A输出正电平，VT2导通输出正驱动电压电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器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）。内部具有退饱、检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。