大功率晶體管驅(qū)動電路的設(shè)計及其應(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，分析了基極驅(qū)動電路的要求及其設(shè)計方法，并給出一種實用的驅(qū)動電路。

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

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)器件安全可靠運行的重要保障。本文重點介紹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，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，有管壓降V_CES，關(guān)斷時有漏電流I_CEO；加之開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中具有開通時間t_on。（含延遲時間t_d和上升時間t_r），關(guān)斷時間t_off（含存貯時間t_s和下降時間t_f），因此使用GTR時，對其集電極功耗PC與結(jié)溫T_jm也應(yīng)給予足夠的重視。

2? 基極驅(qū)動電路設(shè)計原則

??? 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)計基極驅(qū)動電路時應(yīng)考慮以下兩點：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I_B1。導(dǎo)通階段的基極驅(qū)動電流I_B2應(yīng)使GTR恰好維持在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，以便縮短存儲時間t_s。一般情況下，過驅(qū)動電流I_B1的數(shù)值選為準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動電流值I_B2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)斷時間，減小關(guān)斷損耗，實際應(yīng)用中，常選I_B3=I_B1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B_D構(gòu)成，實現(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V_CE高于某一規(guī)定值時，電壓比較器A₁輸出過載保護(hù)信號。控制信號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

3.2? 驅(qū)動電路的工作原理

??? 當(dāng)輸入信號V_in為高電平時，光耦截止，B點近似等于電源電壓，A點為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V_in由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，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，V₂的基極電位也變?yōu)榱?，V₂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，光耦輸出級由導(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同時截止。下一周期將重復(fù)上述工作過程。

??? 帶有反偏驅(qū)動電路的工作原理如下：當(dāng)V₄導(dǎo)通時，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C₂充有左正右負(fù)的電壓。當(dāng)V₄關(guān)斷V₅導(dǎo)通時，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)動電路的器件要求

??? 首先對光電耦合器的要求是高速型光耦。這是因為對于橋式逆變電路，同一橋臂的上下兩個互補(bǔ)的控制信號之間應(yīng)當(dāng)設(shè)置死區(qū)時間t_Δ（15～20μs之間），因普通光耦開關(guān)時間較長，一般在（4～6μs）之間，而后級驅(qū)動的延遲時間長達(dá)10μs左右，而且可能出現(xiàn)開通與關(guān)斷時間不等的現(xiàn)象，使正常的死區(qū)時間得不到保證。為了能安全可靠地工作，必須選用高速型光耦，并把后級驅(qū)動總延遲嚴(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。

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

圖3? GTR主電路與驅(qū)動電路的連接關(guān)系

4? 結(jié)語

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