大功率晶體管驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用
摘要:介紹了大功率晶體管(GTR)基極驅(qū)動電路的設(shè)計(jì),分析了基極驅(qū)動電路的要求及其設(shè)計(jì)方法,并給出一種實(shí)用的驅(qū)動電路。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/179473.htm關(guān)鍵詞:大功率晶體管;基極驅(qū)動電路;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IB后,集電極便能得到放大了的電流IC,電流放大倍數(shù)由hFE來評價。對于工作在開關(guān)狀態(tài)的GTR,關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)是反向耐壓VCE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,有管壓降VCES,關(guān)斷時有漏電流ICEO;加之開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中具有開通時間ton。(含延遲時間td和上升時間tr),關(guān)斷時間toff(含存貯時間ts和下降時間tf),因此使用GTR時,對其集電極功耗PC與結(jié)溫Tjm也應(yīng)給予足夠的重視。
2 基極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)原則
GTR基極驅(qū)動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)動電路時應(yīng)考慮以下兩點(diǎn):最優(yōu)化驅(qū)動方式和自動快速保護(hù)。
所謂最優(yōu)化驅(qū)動,就是以理想的基極驅(qū)動電流波形去控制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)動電流波形如圖1所示。由圖1可以看出,為加快開通時間和降低開通損耗,正向基極電流在開通初期不但要求有陡峭的前沿,而且要求有一定時間的過驅(qū)動電流IB1。導(dǎo)通階段的基極驅(qū)動電流IB2應(yīng)使GTR恰好維持在準(zhǔn)飽和狀態(tài),以便縮短存儲時間ts。一般情況下,過驅(qū)動電流IB1的數(shù)值選為準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動電流值IB2的3倍左右,過驅(qū)動電流波形前沿應(yīng)控制在0.5μs以內(nèi),其寬度控制在2μs左右。關(guān)斷GTR時,反向基極驅(qū)動電流IB3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)斷時間,減小關(guān)斷損耗,實(shí)際應(yīng)用中,常選IB3=IB1或更大一些。這種基極驅(qū)動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)動電流波形
另外,GTR的驅(qū)動電路還應(yīng)有自保護(hù)功能,以便在故障狀態(tài)下能快速自動切除基極驅(qū)動信號,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)動電路構(gòu)成形式很多,歸結(jié)起來有三個明顯的趨勢:
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)動電路,它不但能維持GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài),而且可以對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)時間,降低驅(qū)動功率,提高驅(qū)動效率,具體電路如圖2所示。它主要由信號隔離電路,退飽和檢測電路,控制信號綜合電路和具有反偏壓的自適應(yīng)輸出電路組成。信號隔離電路由光電耦合器BD構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)邏輯控制電路與驅(qū)動電路之間的電氣隔離;退飽和檢測電路由二極管D6和電壓比較器A1組成。當(dāng)GTR的集-射極電壓VCE高于某一規(guī)定值時,電壓比較器A1輸出過載保護(hù)信號??刂菩盘柕木C合電路由三極管V1構(gòu)成。其功能是將正常的開關(guān)驅(qū)動信號與退飽和禁止信號疊加處理后送至輸出級。具有反偏壓的自適應(yīng)輸出驅(qū)動級由三級管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)動波形。
圖2 基極驅(qū)動電路
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