1_5电力电子器件的驱动-15电力电子器件的驱动

1.5电力电子器件的驱动可控型电力电子器件（包括全控和半控）多为三端器件，其中有两个电极接主电路，如晶闸管的阳极和阴极、GTR的集电极和发射极。工作时可承受很高的电压和通过很大的电流。另一个电极起控制作用，如晶闸管的门极，MOSFET的栅极，在其上面施加一定的电压或通以适当的电流可以控制器件的通断。较之主电路的电压或电流，这个起控制作用的电压或电流都很小，这种“以弱控强”的作用称之为驱动，与之相关的电路叫做驱动电路。电力电子器件的结构和性能各不相同，对驱动信号的要求也不一样，这使得各种器件的驱动电路存在着很大的差异。1.5.1晶闸管驱动电路晶闸管为半控型电力电子器件，只能控制开通不能控制关断，因此在设计驱动电路时只考虑开通控制。如前所述，晶闸管开通的条件是：（1）阳极与阴极之间加正向电压，阳极为正，阴极为负（这个电压一般很高）；（2）门极与阴极之间加一定数量的正向电压，门极为正，阴极为负（同时形成一定的门极电流）。另外，晶闸管一旦导通，门极则失去控制能力，所以晶闸管的驱动信号只需一个电压和电流脉冲即可，但是脉冲的宽度要大于晶闸管的开通时间。因此常把晶闸管的导通驱动叫做“触发”。由图1-2可看出，晶闸管的门极和阴极之间为一PN结，控制信号相当于给这个PN结施加正向电压，那么电压UGK和电流IG之间就应表现出PN结正向特性的关系，但是，由于晶闸管的特殊要求导致设计和工艺上的差异，上述PN结和一般作为二极管使用的PN结的特性有很大的不同，主要表现在后者的正向伏安特性曲线基本上是一条斜率很大的指数曲线，并且同一型号产品基本都符合同一条曲线；而前者曲线的斜率有时会很小，且即使同一型号同一批量的产品，个别器件之间特性也存在着很大的离散性。因此把某种型号的晶闸管门极伏安特性曲线中斜率最大的和最小的两条曲线标在UGK-IG平面，作为其门极伏安特性。图1-20为晶闸管的门极特性，其中曲线AB为斜率最大的门极特性曲线，曲线FE为斜率最小的门极特性曲线，两线之间的扇型区域为可能出现的门极特性曲线的范围。在对门极施加驱动信号时，为保证晶闸管的安全，驱动信号的幅度受到最大门极电压UGM、最大门极电流IGM和最大门极功耗PGM的限制，在图中分别由直线BC、直线DE和曲线CD标出。为保证晶闸管可靠“触发”导通，门极电压和门极电流要具有一定的强度，PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn手册中通常表示为门极可靠触发电压UGT和门极可靠触发电流IGT。在图1-20中分别由直线AG和GF标出。这样供给晶闸管的驱动电压和电流应属于图1-20中线段ABCDEFG围成的区域。UGK/VIG/mAUGMIGMIGTUGTPGM1-20晶闸管的门极特性在实际应用中，希望触发电流IG有以下特点：脉冲前沿陡峭，并且脉冲刚开始的一段时间有较大的幅度，这样有利于晶闸管的快速开通；随后IG下降到一个较小的数值并维持到脉冲结束，这样有利于减少门极及驱动电路的功耗。另外，由于晶闸管的阴极与强电回路连接，电压很高，而驱动电路为电压很低的电子线路，一般要将两者进行电气隔离，通常采用脉冲变压器或光电耦合器。图1-21为满足上述要求的脉冲波形和产生此波形的脉冲变压器隔离功放电路。VD1VD4VW1VD2VD3GK+12V30VRC+—输入tiG01-21晶闸管触发电路及触发电流波形在图1-21中，三极管V为功放管，基极为脉冲输入，放大后的脉冲经变压器耦合到晶PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn闸管的G-K之间。基极有脉冲输入时，V导通，变压器初级出现电流，耦合到次级为晶闸管提供驱动信号。二极管VD2的作用是保证晶闸管门极不出现反向电流，VD3用来保证晶闸管的G-K之间不出现反向电压。图1-21中30V直流电源和电阻R、电容C构成“强触发”电路。在输入信号到来之前，电源通过R向C充电，C两端电压保持在30V。一旦输入信号到来，V导通，C通过变压器初级、晶体管V放电，此时电容电压全部加在变压器两端，由于电压较高，晶闸管可得到较大的驱动电流，电容电压高于12V电源的电压，故VD1阻断。电容C的容量并不大，随着C的放电，其电压越来越小，当该电压低于12V时VD1导通，脉冲变压器初级绕组上端的电位被钳为在12V左右，+12V电源为三极管供电，由于电压的减小，脉冲变压器初次级绕组中的电流都会减小，晶闸管得到的门极驱动电流IG也将减小。而后一直保持在一个较小的数值。触发脉冲一直维持到晶闸管可靠导通以后，最终触发脉冲消失，功放管由导通变为截止。1.5.2GTO的驱动电路GTO为全控型器件，门极加正脉冲可控制开通，加负脉冲控制关断，但是由于GTO的关断增益很小，所以要求负的电流脉冲要有足够大的幅度才能使GTO关断。这就给驱动电路提出了新的要求，也给电路设计增加了难度。GTO要求的驱动电流波形如图1-22（a）。对触发电流的波形有以下具体要求：（1）开通时门极电流的上升率尽可能陡，这样有利于器件阳极电流的快速增加，缩短开通时间。一般取门极电流上升率为5—10A/μs。（2）开通门极电流要具有一定的幅度，刚开始的强触发阶段要求门极电流IG为门极直流额定触发电流IGM的3—10倍，这也是为了缩短开通时间。（3）脉冲要有一定的宽度，对于开通正脉冲，其持续时间要为GTO开通时间的数倍以上，如果负载为电感性，由于阳极电流的变化受主电路电磁时间常数的约束，开通正脉冲的持续时间要大于阳极电流建立的时间，根据电路的具体参数确定。（4）关断门极电流的上升沿要陡，可以缩短关断时间，一般要求关断门极电流的上升率为10—50A/μs。（5）关断门极电流脉冲要有一定的幅度，该幅度与欲关断的阳极电流的大小和关断增益βOFF有关。（6）关断脉冲要有一定的宽度，以保证器件有足够的时间向外抽取载流子和使内部载流子复合，从而保证可靠关断。图1-22（b）、（c）为GTO驱动电路的原理图，其中图1-22（b）为单电源结构的GTO驱动电路。开通触发时晶体管V1、V2导通，电源供给GTO以正向门极触发电流，电流路径为：电源正极→V1→GTO门极→GTO阴极→V2→电源负极。电阻起限流作用，决定正脉PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn冲的幅度。触发关断时晶闸管VT1、VT2导通，电源供给GTO门极反向门极电流，电流路径为：电源正极→VT2→GTO阴极→GTO门极→电感→VT1→电源负极。图中的电感很小，有时仅引线的电感就足够，但它的大小决定关断门极电流的上升率，所以在图中特别标出。图1-22（c）为双电源结构的GTO驱动电路。开通GTO时，使晶体管V饱和导通，电源E1为GTO提供正向触发脉冲，电流从E1的正极出发，经晶体管V进入GTO的门极，又从GTO的阴极流出，到电源E1的负极。欲使GTO关断时使晶闸管VT导通，电源E2为GTO提供反向驱动电流。驱动电流从E2的正极流出，进入GTO的阴极，为其提供反向电流，然后从GTO的门极流出，通过电感和晶闸管VT回到E2的负极。V1V2VT1VT2+—EGTOVVTE1++——E2GTO（a）（b）（c）iGt0图1-22GTO的驱动电路1.5.3GTR的驱动GTR也是一种电流控制型器件，但与晶闸管和GTO不同的是GTR有线性放大区。在电力电子电路中GTR多工作在开关状态，应回避其进入线性放大区。GTR的通断由基极电流IB控制，对基极电流（即驱动电流）有以下要求：（1）在使GTR从阻断转为导通过程中，IB的幅度要足够大，以使得GTR尽快导通并进入饱和状态，这样可以减少GTR的开通损耗。（2）GTR已经导通，必须有一定的基极电流来维持，这个电流必须使GTR工作在饱和状态，但又不能过大使GTR进入深度饱和，以免增加关断GTR的难度，同时基极电流过大也会使GTR的基极功耗增加，这同样是应该避免的。（3）关断GTR的过程中应提供反向基极电流，抽取器件内部的载流子，使GTR快速关断。（4）当GTR处于阻断状态时最好在其基极-发射极之间加一定的反向电压，增加GTR的阻断能力和防止误导通。图1-23（a）为简单的GTR驱动电路。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cnGTR+VCC-VEER1R2uiR4R3+-+VCCVT1VT2VT3R1R2R3RC-VEEui+-GTR（a）（b）图1-23GTR驱动电路当输入电压ui为高电平时，晶体管VT截止，负电源通过R4给GTR的基极加负偏压。当ui为低电平，VT导通，正电源和负电源串联后经R3、R4分压给GTR提供正偏压，供给GTR以驱动电流。在GTR的关断过程中，VT由导通变为截止，负电源会在GTR的基极回路产生一反向电流加速GTR的关断。该电路虽然简单但有一些缺点，如R3、R4消耗的功率较大，无法为开通过程提供较大的电流，在整个导通过程中为GTR提供的正向偏值电压是不变的，所以对GTR已经开通后的过饱和没有积极的预防措施。图1-23（b）为推挽式GTR驱动电路。VT2、VT3接成互补推挽式射极输出器，当输入电压ui为高电平时，VT1截止，R3为VT3提供偏流，VT3导通。VT3的导通给GTR提供反向偏压，保持其关断状态。ui为低电平时，VT1、VT2导通，VT2的导通为GTR提供基极电流。电容C为加速电容，VT2刚开始导通时，电容两端电压为0或为一个左负右正的电压，由于电容的充电作用，VT2提供的发射极电流较大，使GTR的基极电流很大，加速GTR的导通。随着时间的推移，电容两端的电压逐渐上升，同时充电电流逐渐减小，GTR的基极电流逐渐稳定在一个较小的数值上，电容也保持一定的电压（左正右负），为形成较大的反向电流做准备。关断过程中VT1截止VT3导通，电容C通过R3、负电源、GTR的发射结放电，形成一个短暂的但幅度较大的反向基极电流，电容放电完毕后反向基极电流消失，负电源给GTR提供一个负偏压。按照对GTR驱动信号的要求，为了能够快速关断GTR在导通时不应工作在深度饱和状态，可以在驱动电路中增加如图1-24所示的贝克钳位电路来实现这一功能。电路中A、E之间的电压为CEDBEDDAEUUUUUU+=++=132PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn由此可得出121DBEDDCEUUUUU-++=如果二极管参数相等，其导通压降均为UD，则UCE=UBE+UD，说明集电极电位高于基极电位，集电结反偏但数值较小，此时GTR处于准饱和状态。VD1VD2VD3VD4GTRAEC图1-24贝克钳位电路1.5.4场控器件的驱动以MOSFET为例分析场控型（电压控制型）电力电子器件的驱动电路。由于栅极和源极之间是绝缘的，所以在器件导通和关断的稳定状态都不可能出现栅极电流，需要的仅是一个栅极电压。但是器件的各电极之间都存在着电容，从驱动的输入端看相当于一个电容网络，因此驱动电压的变化将产生电容充放电电流，充放电时间常数决定栅极电压变化的速率，进而影响器件的开关速度。为了减小时间常数，要求驱动回路的电阻尽可能小。初学者容易忽视的一个问题是欲使场控器件关断时，必须为栅-源之间提供放电通路或在栅-源之间加反向电压，不能简单地撤掉栅源之间的正向驱动电压而使栅-源之间开路。图1-25是三种简单的MOSFET驱动电路的原理图。图（a）为单管驱动电路，图中uS为驱动信号源，uS为正时晶体管VT导通，其发射极电流为被驱动的MOSFET的输入电容充电，使栅极电位迅速上升，MOSFET开通。uS为0时VT截止，MOSFET栅-源之间储存的电荷经VD、信号源放电，使MOSFET关断。+VRVD+-uSMOSFET+-uSR+VVTVT1VT2MOSFET+VVD1VD2VTMOSFETR1R2（a）（b）（c）图1-25MOSFET的驱动电路PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn图（b）为推挽式驱动电路，当uS为正时晶体管VT1导通V