大功率晶體管驅動(dòng)電路的設計及其應用
摘要:介紹了大功率晶體管(GTR)基極驅動(dòng)電路的設計,分析了基極驅動(dòng)電路的要求及其設計方法,并給出一種實(shí)用的驅動(dòng)電路。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/179473.htm關(guān)鍵詞:大功率晶體管;基極驅動(dòng)電路;分析;設計
1 引言
作為逆變電路中的核心部件——大功率開(kāi)關(guān)器件,一般分為三大類(lèi)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(mén)極晶體管)等。這些大功率器件的運行狀態(tài)及安全性直接決定了變頻器和逆變器性能的優(yōu)劣,而性能良好的驅動(dòng)電路又是開(kāi)關(guān)器件安全可靠運行的重要保障。本文重點(diǎn)介紹GTR的基極驅動(dòng)電路。
大功率晶體管(GiantTransistor—GTR)也稱(chēng)巨型晶體管,是三層結構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等優(yōu)點(diǎn),在許多電力變流裝置中得到了應用。
在電力電子裝置中,GTR主要工作在開(kāi)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,電流放大倍數由hFE來(lái)評價(jià)。對于工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的GTR,關(guān)鍵的技術(shù)參數是反向耐壓VCE和正向導通電流IC。由于GTR不是理想的開(kāi)關(guān),當飽和導通時(shí),有管壓降VCES,關(guān)斷時(shí)有漏電流ICEO;加之開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中具有開(kāi)通時(shí)間ton。(含延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr),關(guān)斷時(shí)間toff(含存貯時(shí)間ts和下降時(shí)間tf),因此使用GTR時(shí),對其集電極功耗PC與結溫Tjm也應給予足夠的重視。
2 基極驅動(dòng)電路設計原則
GTR基極驅動(dòng)電路和性能直接影響著(zhù)GTR的工作狀況,因此在設計基極驅動(dòng)電路時(shí)應考慮以下兩點(diǎn):最優(yōu)化驅動(dòng)方式和自動(dòng)快速保護。
所謂最優(yōu)化驅動(dòng),就是以理想的基極驅動(dòng)電流波形去控制GTR的開(kāi)關(guān)過(guò)程,以便提高開(kāi)關(guān)速度,減小開(kāi)關(guān)損耗。理想的基極驅動(dòng)電流波形如圖1所示。由圖1可以看出,為加快開(kāi)通時(shí)間和降低開(kāi)通損耗,正向基極電流在開(kāi)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(guò)驅動(dòng)電流IB1。導通階段的基極驅動(dòng)電流IB2應使GTR恰好維持在準飽和狀態(tài),以便縮短存儲時(shí)間ts。一般情況下,過(guò)驅動(dòng)電流IB1的數值選為準飽和基極驅動(dòng)電流值IB2的3倍左右,過(guò)驅動(dòng)電流波形前沿應控制在0.5μs以?xún)?,其寬度控制?μs左右。關(guān)斷GTR時(shí),反向基極驅動(dòng)電流IB3應大一些,以便加快基區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)際應用中,常選IB3=IB1或更大一些。這種基極驅動(dòng)波形一般由加速電路和貝克箝位電路來(lái)實(shí)現。
圖1 理想的基極驅動(dòng)電流波形
另外,GTR的驅動(dòng)電路還應有自保護功能,以便在故障狀態(tài)下能快速自動(dòng)切除基極驅動(dòng)信號,以避免GTR的損壞。保護電路的類(lèi)型有多種,根據器件及電路的不同要求可進(jìn)行適當的選擇。為了提高開(kāi)關(guān)速度,可采用抗飽和保護電路;要保證開(kāi)關(guān)電路自身功耗低,可采用退飽和保護電路;要防止基極欠驅動(dòng)導致器件過(guò)載狀態(tài),可采用電源電壓監控保護。此外,還有脈沖寬度限制電路以及防止GTR損壞的過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護電路。
基極驅動(dòng)電路構成形式很多,歸結起來(lái)有三個(gè)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)不斷完善和擴大自動(dòng)保護功能;
3)在開(kāi)通和關(guān)斷速度方面不斷加以改進(jìn)和完善。
3 基極驅動(dòng)電路一例
3.1 電路組成與功能
下面介紹一種實(shí)用高效自保護基極驅動(dòng)電路,它不但能維持GTR工作在準飽和狀態(tài),而且可以對GTR的過(guò)載提供快速可靠的保護,防止GTR進(jìn)入放大區。另外可以改善GTR的開(kāi)關(guān)特性,縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間,降低驅動(dòng)功率,提高驅動(dòng)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輸出電路組成。信號隔離電路由光電耦合器BD構成,實(shí)現邏輯控制電路與驅動(dòng)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GTR的集-射極電壓VCE高于某一規定值時(shí),電壓比較器A1輸出過(guò)載保護信號??刂菩盘柕木C合電路由三極管V1構成。其功能是將正常的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)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輸出驅動(dòng)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(kāi)關(guān)速度和產(chǎn)生反偏壓驅動(dòng)波形。
圖2 基極驅動(dòng)電路
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