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1、大功率晶体管驱动电路的设计及其应用大功率晶体管驱动电路的设计及其应用1 引言作为逆变电路中的核心部件-大功率开关器件，一般分为三大类型，即双极型、单极型和混合型。双极型 GTO、GTR、SITH 等；单极型有功率 MOSFET、SIT 等；混合型有 IGBT、MGT（MOS 门极晶体管）等。这些大功率器件的运行状态及安全性直接决定了变频器和逆变器性能的优劣，而性能良好的驱动电路又是开关器件安全可靠运行的重要保障。本文重点介绍 GTR 的基极驱动电路。大功率晶体管（GiantTransistor-GTR）也称巨型晶体管，是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管，它具有自关断能力，控制十分方便，并
2、有饱和压降低和比较宽的安全工作区等优点，在许多电力变流装置中得到了应用。在电力电子装置中，GTR 主要工作在开关状态。GTR 是一种电流控制型器件，即在其基极注入电流 IB 后，集电极便能得到放大了的电流 IC,电流放大倍数由 hFE 来评价。对于工作在开关状态的 GTR,关键的技术参数是反向耐压 VCE 和正向导通电流 IC.由于 GTR 不是理想的开关，当饱和导通时，有管压降 VCES,关断时有漏电流 ICEO;加之开关转换过程中具有开通时间 ton.（含延迟时间 td 和上升时间 tr）,关断时间 toff（含存贮时间 ts 和下降时间 tf）,因此使用GTR 时，对其集电极功耗 PC
3、与结温 Tjm 也应给予足够的重视。2 基极驱动电路设计原则GTR 基极驱动电路和性能直接影响着 GTR 的工作状况，因此在设计基极驱动电路时应考虑以下两点：最优化驱动方式和自动快速保护。所谓最优化驱动，就是以理想的基极驱动电流波形去控制 GTR的开关过程，以便提高开关速度，减小开关损耗。理想的基极驱动电流波形如图 1 所示。由图 1 可以看出，为加快开通时间和降低开通损耗，正向基极电流在开通初期不但要求有陡峭的前沿，而且要求有一定时间的过驱动电流 IB1.导通阶段的基极驱动电流 IB2 应使GTR 恰好维持在准饱和状态，以便缩短存储时间 ts.一般情况下，过驱动电流 IB1 的数值选为准饱和
4、基极驱动电流值 IB2 的 3 倍左右，过驱动电流波形前沿应控制在 0.5s 以内，其宽度控制在 2s 左右。关断 GTR 时，反向基极驱动电流 IB3 应大一些，以便加快基区中载流子的抽走速度，缩短关断时间，减小关断损耗，实际应用中，常选 IB3=IB1 或更大一些。这种基极驱动波形一般由加速电路和贝克箝位电路来实现。另外，GTR 的驱动电路还应有自保护功能，以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号，以避免 GTR 的损坏。保护电路的类型有多种，根据器件及电路的不同要求可进行适当的选择。为了提高开关速度，可采用抗饱和保护电路；要保证开关电路自身功耗低，可采用退饱和保护电路；要防止基极欠驱动
5、导致器件过载状态，可采用电源电压监控保护。此外，还有脉冲宽度限制电路以及防止GTR 损坏的过压、过流、过热等保护电路。基极驱动电路构成形式很多，归结起来有三个明显的趋势：1）为了提高工作速度，都以抗饱和贝克箝位电路作为基本电路；2）不断完善和扩大自动保护功能；3）在开通和关断速度方面不断加以改进和完善。3 基极驱动电路一例3.1 电路组成与功能下面介绍一种实用高效自保护基极驱动电路，它不但能维持GTR 工作在准饱和状态，而且可以对 GTR 的过载提供快速可靠的保护，防止 GTR 进入放大区。另外可以改善 GTR 的开关特性，缩短开关时间，降低驱动功率，提高驱动效率，具体电路如图 2 所示。它主
6、要由信号隔离电路，退饱和检测电路，控制信号综合电路和具有反偏压的自适应输出电路组成。信号隔离电路由光电耦合器 BD 构成，实现逻辑控制电路与驱动电路之间的电气隔离；退饱和检测电路由二极管 D6 和电压比较器 A1 组成。当 GTR 的集射极电压 VCE 高于某一规定值时，电压比较器 A1 输出过载保护信号。控制信号的综合电路由三极管 V1 构成。其功能是将正常的开关驱动信号与退饱和禁止信号叠加处理后送至输出级。具有反偏压的自适应输出驱动级由三级管 V3、V4,二极管 D7、D8、D9,电容器 C2 等元器件组成，它的功能是提高开关速度和产生反偏压驱动波形。3.2 驱动电路的工作原理当输入信号
7、Vin 为高电平时，光耦截止，B 点近似等于电源电压，A 点为 R3 与 R4 的分压电平，则 VBVA,电压比较器输出端 C 为低电平，三极管 V1 截止，V2 导通，V3、V4 截止，从而 GTR 截止。当输入信号 Vin 由高电平变为低电平时，光耦输出由截止变为导通。C1 经 R8、D3 进行充电，利用电容二端的电压不能突变的特点，V2 的基极电位也变为零，V2 截止，V3、V4 导通，经过加速网络 C2、R12 使 GTR 迅速饱和导通；当 GTR 导通后，它的 VCE 随之下降，D6 导通，使 B 点的电位箝位于 VB=VCEVA,电压比较器 A1 输出端C 变为高电平，使 V1 导
8、通，V2 的基极电位维持在地电位上；维持V2 截止，V3、V4 导通。同时 V1 的导通给 C1 提供了放电回路，使电容 C1 的两端电压下降为零，为下次工作做准备。当 Vin 由低电平变为高电平时，光耦输出级由导通变为截止，使 D1 导通，D2 截止，重新使 VBVA,C 点输出低电平，V1 截止，V2导通，由 C2、V5、D10、D9 等组成的反偏电路使 GTR 迅速关断，D6同时截止。下一周期将重复上述工作过程。带有反偏驱动电路的工作原理如下：当 V4 导通时，GTR 也导通。通过加速电容 C2 的比较大的充电电流向 GTR 基极提供过驱动电流，最大电流仅受 R11 阻值限制。充电结束后
9、，进入导通阶段，GTR 的基极电流由 R11、R12 和 D8 共同决定，此时 C2 充有左正右负的电压。当 V4 关断 V5 导通时，电容 C2 经 V5 的 CE 结D10D9C2 放电。GTR 的反偏电压等于 D10 的导通压降，约为 07V 左右，使 GTR 迅速截止。3.3 保护电路工作原理在正常工作过程中，由于 D6 导通，使 VB=VCE;若 GTR 发生过载或其它原因退出饱和状态，使 VCE 上升到 VB=VCE3.4 驱动电路的器件要求首先对光电耦合器的要求是高速型光耦。这是因为对于桥式逆变电路，同一桥臂的上下两个互补的控制信号之间应当设置死区时间 t（1520s 之间）,因
10、普通光耦开关时间较长，一般在（46s）之间，而后级驱动的延迟时间长达 10s 左右，而且可能出现开通与关断时间不等的现象，使正常的死区时间得不到保证。为了能安全可靠地工作，必须选用高速型光耦，并把后级驱动总延迟严格限制在 5s 以内。例如图 2 中选用高速型光耦 6N137 就能满足系统的要求。其次对光耦的要求是具有较强的抗干扰能力。这是因为在 GTR的开关转换过程中，P 点的电位是发生跳变的（图 3）.如 GTR1 导通或 D1 续流时，P 点与 M 点等电位；而 GTR2 导通或 D2 续流时，P 点又与 N 点等电位。P 点电位的跳变速度由二极管反向恢复时间决定。对于中小功率三相异步电机
11、变频器，P 点的 dvdt 将达到每秒数千伏。若光耦抗干扰能力不强。P 点电位的跳变将会通过光耦内部寄生电容耦合，在驱动电路中形成干扰脉冲，致使 GTR 发生误动作而不能正常工作。中国变频器维修网创于 1998 年，是中国自动化十大综合门户中唯一以维修培训为核心竞争力的门户网站，也是中国最大的变频器门户网站。已发展 200 多家加盟维修站。是中国规模最早最大的变频器 PLC 维修及培训企业，国家工业和信息化部指定为电气工程师考试培训机构，被评为本年度最佳培训机构奖，课程有：PLC 编程培训班、变频器维修培训班，工业电路板维修培训、电气自动化技术培训；服务项目：变频器维修、PLC 维修、工业电路板维修等，一级维修企业承包对外维修保养服务。
