大功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

摘要：介紹了大功率晶體管（GTR）基極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，分析了基極驅(qū)動(dòng)電路的要求及其設(shè)計(jì)方法，并給出一種實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路。

關(guān)鍵詞：大功率晶體管；基極驅(qū)動(dòng)電路；分析；設(shè)計(jì)

1  引言

    作為逆變電路中的核心部件——大功率開關(guān)器件，一般分為三大類型，即雙極型、單極型和混合型。雙極型GTO、GTR、SITH等；單極型有功率MOSFET、SIT等；混合型有IGBT、MGT（MOS門極晶體管）等。這些大功率器件的運(yùn)行狀態(tài)及安全性直接決定了變頻器和逆變器性能的優(yōu)劣，而性能良好的驅(qū)動(dòng)電路又是開關(guān)器件安全可靠運(yùn)行的重要保障。本文重點(diǎn)介紹GTR的基極驅(qū)動(dòng)電路。

    大功率晶體管（GiantTransistor—GTR）也稱巨型晶體管，是三層結(jié)構(gòu)的雙極全控型大功率高反壓晶體管，它具有自關(guān)斷能力，控制十分方便，并有飽和壓降低和比較寬的安全工作區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，在許多電力變流裝置中得到了應(yīng)用。

    在電力電子裝置中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。GTR是一種電流控制型器件，即在其基極注入電流I_B后，集電極便能得到放大了的電流IC，電流放大倍數(shù)由h_FE來評(píng)價(jià)。對(duì)于工作在開關(guān)狀態(tài)的GTR，關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)是反向耐壓V_CE和正向?qū)娏鱅C。由于GTR不是理想的開關(guān)，當(dāng)飽和導(dǎo)通時(shí)，有管壓降V_CES，關(guān)斷時(shí)有漏電流I_CEO；加之開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中具有開通時(shí)間t_on。（含延遲時(shí)間t_d和上升時(shí)間t_r），關(guān)斷時(shí)間t_off（含存貯時(shí)間t_s和下降時(shí)間t_f），因此使用GTR時(shí)，對(duì)其集電極功耗PC與結(jié)溫T_jm也應(yīng)給予足夠的重視。

2  基極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則

    GTR基極驅(qū)動(dòng)電路和性能直接影響著GTR的工作狀況，因此在設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方式和自動(dòng)快速保護(hù)。

    所謂最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)，就是以理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形去控制GTR的開關(guān)過程，以便提高開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗。理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖1所示。由圖1可以看出，為加快開通時(shí)間和降低開通損耗，正向基極電流在開通初期不但要求有陡峭的前沿，而且要求有一定時(shí)間的過驅(qū)動(dòng)電流I_B1。導(dǎo)通階段的基極驅(qū)動(dòng)電流I_B2應(yīng)使GTR恰好維持在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，以便縮短存儲(chǔ)時(shí)間t_s。一般情況下，過驅(qū)動(dòng)電流I_B1的數(shù)值選為準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)電流值I_B2的3倍左右，過驅(qū)動(dòng)電流波形前沿應(yīng)控制在0.5μs以內(nèi)，其寬度控制在2μs左右。關(guān)斷GTR時(shí)，反向基極驅(qū)動(dòng)電流I_B3應(yīng)大一些，以便加快基區(qū)中載流子的抽走速度，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗，實(shí)際應(yīng)用中，常選I_B3=I_B1或更大一些。這種基極驅(qū)動(dòng)波形一般由加速電路和貝克箝位電路來實(shí)現(xiàn)。

圖1  理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形

    另外，GTR的驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)有自保護(hù)功能，以便在故障狀態(tài)下能快速自動(dòng)切除基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以避免GTR的損壞。保護(hù)電路的類型有多種，根據(jù)器件及電路的不同要求可進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。為了提高開關(guān)速度，可采用抗飽和保護(hù)電路；要保證開關(guān)電路自身功耗低，可采用退飽和保護(hù)電路；要防止基極欠驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致器件過載狀態(tài)，可采用電源電壓監(jiān)控保護(hù)。此外，還有脈沖寬度限制電路以及防止GTR損壞的過壓、過流、過熱等保護(hù)電路。

    基極驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成形式很多，歸結(jié)起來有三個(gè)明顯的趨勢(shì)：

    1）為了提高工作速度，都以抗飽和貝克箝位電路作為基本電路；

    2）不斷完善和擴(kuò)大自動(dòng)保護(hù)功能；

    3）在開通和關(guān)斷速度方面不斷加以改進(jìn)和完善。

3  基極驅(qū)動(dòng)電路一例

3.1  電路組成與功能

    下面介紹一種實(shí)用高效自保護(hù)基極驅(qū)動(dòng)電路，它不但能維持GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，而且可以對(duì)GTR的過載提供快速可靠的保護(hù)，防止GTR進(jìn)入放大區(qū)。另外可以改善GTR的開關(guān)特性，縮短開關(guān)時(shí)間，降低驅(qū)動(dòng)功率，提高驅(qū)動(dòng)效率，具體電路如圖2所示。它主要由信號(hào)隔離電路，退飽和檢測(cè)電路，控制信號(hào)綜合電路和具有反偏壓的自適應(yīng)輸出電路組成。信號(hào)隔離電路由光電耦合器B_D構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)邏輯控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間的電氣隔離；退飽和檢測(cè)電路由二極管D₆和電壓比較器A₁組成。當(dāng)GTR的集-射極電壓V_CE高于某一規(guī)定值時(shí)，電壓比較器A₁輸出過載保護(hù)信號(hào)?？刂菩盘?hào)的綜合電路由三極管V₁構(gòu)成。其功能是將正常的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與退飽和禁止信號(hào)疊加處理后送至輸出級(jí)。具有反偏壓的自適應(yīng)輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)由三級(jí)管V₃、V₄，二極管D₇、D₈、D₉，電容器C₂等元器件組成，它的功能是提高開關(guān)速度和產(chǎn)生反偏壓驅(qū)動(dòng)波形。

圖2  基極驅(qū)動(dòng)電路  [!--empirenews.page--]

3.2  驅(qū)動(dòng)電路的工作原理

    當(dāng)輸入信號(hào)V_in為高電平時(shí)，光耦截止，B點(diǎn)近似等于電源電壓，A點(diǎn)為R₃與R₄的分壓電平，則V_B>V_A，電壓比較器輸出端C為低電平，三極管V₁截止，V₂導(dǎo)通，V₃、V₄截止，從而GTR截止。

    當(dāng)輸入信號(hào)V_in由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，光耦輸出由截止變?yōu)閷?dǎo)通。C₁經(jīng)R₈、D₃進(jìn)行充電，利用電容二端的電壓不能突變的特點(diǎn)，V₂的基極電位也變?yōu)榱悖琕₂截止，V₃、V₄導(dǎo)通，經(jīng)過加速網(wǎng)絡(luò)C₂、R₁₂使GTR迅速飽和導(dǎo)通；當(dāng)GTR導(dǎo)通后，它的V_CE隨之下降，D₆導(dǎo)通，使B點(diǎn)的電位箝位于V_B=V_CE<V_A，電壓比較器A₁輸出端C變?yōu)楦唠娖?，使V₁導(dǎo)通，V₂的基極電位維持在地電位上；維持V₂截止，V₃、V₄導(dǎo)通。同時(shí)V₁的導(dǎo)通給C₁提供了放電回路，使電容C₁的兩端電壓下降為零，為下次工作做準(zhǔn)備。

    當(dāng)V_in由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，光耦輸出級(jí)由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，使D₁導(dǎo)通，D₂截止，重新使V_B>V_A，C點(diǎn)輸出低電平，V₁截止，V₂導(dǎo)通，由C₂、V₅、D₁₀、D₉等組成的反偏電路使GTR迅速關(guān)斷，D₆同時(shí)截止。下一周期將重復(fù)上述工作過程。

    帶有反偏驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如下：當(dāng)V₄導(dǎo)通時(shí)，GTR也導(dǎo)通。通過加速電容C₂的比較大的充電電流向GTR基極提供過驅(qū)動(dòng)電流，最大電流僅受R₁₁阻值限制。充電結(jié)束后，進(jìn)入導(dǎo)通階段，GTR的基極電流由R₁₁、R₁₂和D₈共同決定，此時(shí)C₂充有左正右負(fù)的電壓。當(dāng)V₄關(guān)斷V₅導(dǎo)通時(shí)，電容C₂經(jīng)V₅的C-E結(jié)→D₁₀→D₉→C₂放電。GTR的反偏電壓等于D₁₀的導(dǎo)通壓降，約為0.7V左右，使GTR迅速截止。

3.3  保護(hù)電路工作原理

    在正常工作過程中，由于D₆導(dǎo)通，使V_B=V_CE；若GTR發(fā)生過載或其它原因退出飽和狀態(tài)，使V_CE上升到V_B=V_CE

3.4  驅(qū)動(dòng)電路的器件要求

    首先對(duì)光電耦合器的要求是高速型光耦。這是因?yàn)閷?duì)于橋式逆變電路，同一橋臂的上下兩個(gè)互補(bǔ)的控制信號(hào)之間應(yīng)當(dāng)設(shè)置死區(qū)時(shí)間t_Δ（15～20μs之間），因普通光耦開關(guān)時(shí)間較長，一般在（4～6μs）之間，而后級(jí)驅(qū)動(dòng)的延遲時(shí)間長達(dá)10μs左右，而且可能出現(xiàn)開通與關(guān)斷時(shí)間不等的現(xiàn)象，使正常的死區(qū)時(shí)間得不到保證。為了能安全可靠地工作，必須選用高速型光耦，并把后級(jí)驅(qū)動(dòng)總延遲嚴(yán)格限制在5μs以內(nèi)。例如圖2中選用高速型光耦6N137就能滿足系統(tǒng)的要求。

    其次對(duì)光耦的要求是具有較強(qiáng)的抗干擾能力。這是因?yàn)樵贕TR的開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中，P點(diǎn)的電位是發(fā)生跳變的（圖3）。如GTR1導(dǎo)通或D₁續(xù)流時(shí)，P點(diǎn)與M點(diǎn)等電位；而GTR2導(dǎo)通或D₂續(xù)流時(shí)，P點(diǎn)又與N點(diǎn)等電位。P點(diǎn)電位的跳變速度由二極管反向恢復(fù)時(shí)間決定。對(duì)于中小功率三相異步電機(jī)變頻器，P點(diǎn)的dv/dt將達(dá)到每秒數(shù)千伏。若光耦抗干擾能力不強(qiáng)。P點(diǎn)電位的跳變將會(huì)通過光耦內(nèi)部寄生電容耦合，在驅(qū)動(dòng)電路中形成干擾脈沖，致使GTR發(fā)生誤動(dòng)作而不能正常工作。

圖3  GTR主電路與驅(qū)動(dòng)電路的連接關(guān)系

4  結(jié)語

    驅(qū)動(dòng)電路是GTR安全工作的基礎(chǔ)，精心設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，精心選擇驅(qū)動(dòng)電路元器件和參數(shù)，是保證整機(jī)可靠運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。近年已廣泛采用這類專用模塊驅(qū)動(dòng)電路，（如UAA4002），使GTR的工作更加安全可靠。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的這套帶反偏壓自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，能滿足采用GTR逆變器的一般驅(qū)動(dòng)要求。