第二章功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動與保護(hù)

1、第二章 功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動與保護(hù) 2.1 晶閘管的驅(qū)動與保護(hù)2.1.1 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是將控制信號Uk轉(zhuǎn)變成延遲角（或）信號，向晶閘管提供門極電流，決定各個晶閘管的導(dǎo)通時刻。因此，觸發(fā)電路與主電路一樣是晶閘管裝置中的重要部分。兩者之間既相對獨立，又相互依存。正確設(shè)計的觸發(fā)電路可以充分發(fā)揮晶閘管裝置的潛力，保證運行的安全可靠。觸發(fā)電路在晶閘管變流裝置中的地位如圖2-1所示，可把觸發(fā)電路和主電路看成一個功率放大器，以小功率的輸入信號直接控制大功率的輸出。圖2-1 觸發(fā)電路在晶閘管裝置中的地位1觸發(fā)脈沖要求晶閘管裝置種類很多，工作方式也不同，故對觸發(fā)電路的要求也不同

2、。下面介紹對觸發(fā)電路的基本要求。1）一般觸發(fā)信號采用脈沖形式。2）觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有一定的功率和寬度。3）為使并聯(lián)晶閘管元件能同時導(dǎo)通，則觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強觸發(fā)脈沖。4) 觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。為使晶閘管在每個周期都在相同的控制角下觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，也就是說觸發(fā)信號應(yīng)與電源保持固定的相位關(guān)系。同時，為了使電路在給定的范圍內(nèi)工作，應(yīng)保證觸發(fā)脈沖能在相應(yīng)范圍內(nèi)進(jìn)行移相。5) 隔離輸出方式及抗干擾能力。觸發(fā)電路通常采用單獨的低壓電源供電，因此應(yīng)采用某種方法將其與主電路電源隔離。3鋸齒波同步移相觸發(fā)器常用的觸發(fā)電路有正弦波同步觸發(fā)電路和鋸齒波同步觸發(fā)電路，由于鋸齒波同步觸發(fā)電路具有較

3、好的抗電路干擾、抗電網(wǎng)波動的性能及有較寬的調(diào)節(jié)范圍，因此得到了廣泛的應(yīng)用。該電路由同步檢測環(huán)節(jié)、鋸齒波形成環(huán)節(jié)、同步移相控制環(huán)節(jié)及脈沖形成與放大環(huán)節(jié)等組成。圖2-9為鋸齒波同步移相觸發(fā)電路圖。圖2-10為鋸齒波移相觸發(fā)電路各點電壓波形。 圖2-9 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路圖2-10 鋸齒波移相觸發(fā)電路電壓波形 4集成觸發(fā)器隨著電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，集成化晶體管觸發(fā)電路已得到廣泛的應(yīng)用。集成化觸發(fā)器具有體積小、功耗低、性能可靠、使用方便等優(yōu)點。下面介紹國內(nèi)常用的KC（或KJ）系列單片移相觸發(fā)電路。KC04集成觸發(fā)器電路的電原理如圖2-14所示，其中虛線框內(nèi)為集成電路部分，框外為

4、外接電容、電阻等元件，該電路由同步檢測、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及功放等環(huán)節(jié)組成。   圖2-14 KC04集成觸發(fā)器電原理圖5數(shù)字觸發(fā)器為了提高觸發(fā)脈沖的對稱度，對較大型的晶閘管變流裝置采用了數(shù)字式觸發(fā)電路。目前使用的數(shù)字式觸發(fā)電路大多為由計算機（通常為單片機等）構(gòu)成的數(shù)字觸發(fā)器。圖2-15為常見的MCS96系列單片機構(gòu)成的數(shù)字觸發(fā)器的原理框圖。該數(shù)字觸發(fā)器由脈沖同步、脈沖移相、脈沖形成與輸出等幾個部分構(gòu)成。圖2-15 單片機數(shù)字觸發(fā)器6觸發(fā)電路與主電路的同步在三相晶閘管電路中，選擇觸發(fā)電路的同步信號是一個很重要的問題。只有觸發(fā)脈沖在晶閘管陽極電壓為

5、正（相對陰極而言）時產(chǎn)生，晶閘管才能被觸發(fā)導(dǎo)通。在調(diào)試電力電子裝置時，有時會遇到這種現(xiàn)象：晶閘管主電路線路正確，元件完好；而觸發(fā)電路線路也正確，各輸出脈沖正常，能符合移相要求；但主電路與觸發(fā)電路合成調(diào)試時，卻發(fā)現(xiàn)電路工作不正常，直流輸出電壓ud波形不規(guī)則、不穩(wěn)定，移相調(diào)節(jié)不起作用。這種不正?，F(xiàn)象主要是主電路與觸發(fā)電路沒實現(xiàn)同步引起的，即送到主電路各晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓之間相位沒有正確對應(yīng)。因此必須根據(jù)被觸發(fā)晶閘管的陽極電壓相位正確供給各觸發(fā)電路特定相位的同步信號電壓，才能使觸發(fā)電路分別在各晶閘管需要觸發(fā)信號的時刻輸出脈沖。這種正確選擇同步電壓相位及得到不同相位同步電壓的方法，稱為觸發(fā)電

6、路的同步（或定相）。每個觸發(fā)電路的同步電壓uT與被觸發(fā)晶閘管陽極電壓的相互關(guān)系取決于主電路的不同方式，觸發(fā)電路的類型，負(fù)載性質(zhì)及不同的移相要求。 2.1.2 晶閘管的串、并聯(lián)與保護(hù)1晶閘管的串聯(lián)當(dāng)單個晶閘管的額定電壓小于實際線路要求時，可以用兩個以上同型號元件相串聯(lián)來滿足，如圖2-19所示。                         

7、0;  a)元件承受的反向電壓 b)串聯(lián)均壓電路                     圖2-19 晶閘管的串聯(lián)由于元件特性的分散性，當(dāng)兩個同型號晶閘管串聯(lián)后，在正、反向阻斷時雖流過相同的漏電流，但各元件所承受的電壓卻是不相等的。圖2-19a)表示了兩反向阻斷特性不同的晶閘管流過同一漏電流Ie時，元件上承受的電壓相差甚遠(yuǎn)的情況，承受高電壓的元件有可能因超過額定電壓而損壞。為了使各元件上

8、的電壓分配均勻，除選用特性比較一致的元件進(jìn)行串聯(lián)以外，應(yīng)采取均壓措施。2晶閘管的并聯(lián)單個晶閘管的額定電流不能滿足要求時，可以用兩個以上同型號元件并聯(lián)。由于并聯(lián)各晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)下的伏安特性不可能完全一致，相同管壓降下各元件負(fù)擔(dān)的電流不相同，可能相差很大，如圖2-20a)所示。為了均衡并聯(lián)晶閘管元件的電流，除選用正向特性一致的元件外，應(yīng)采用均流措施。                a) 并聯(lián)時的電流分配 b) 串電感均流  &#

9、160;                           圖2-20 晶閘管的并聯(lián)3過壓保護(hù)晶閘管元件有很多的優(yōu)點，但由于擊穿電壓比較接近工作電壓，熱容量又小，因此承受過電壓過電流能力差，短時間的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管元件能正常工作而不損壞，除合理選擇元件外，還必須針對過電壓、過電流發(fā)生的原因采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施

10、。凡超過晶閘管正常工作時所承受的最大峰值電壓的電壓均為過電壓。過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為二大類：操作過電壓：由變流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作中電磁過程引起的過電壓；浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置的過電壓，其幅度可能比操作過電壓還高。對過電壓進(jìn)行保護(hù)的原則是：使操作過電壓限制在晶閘管額定電壓UR以下，使浪涌過電壓限制在晶閘管的斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓UDSM和URSM以下。一個晶閘管變流裝置或系統(tǒng)應(yīng)采取過電壓保護(hù)措施的部位可分為交流側(cè)，直流側(cè)，整流主電路等幾部分，如圖2-21所示。圖2-21 晶閘管裝置可能采用的過電壓保護(hù)措施 4過電流保護(hù)當(dāng)變流裝置內(nèi)部某

11、一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障，外部出現(xiàn)負(fù)載過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起裝置其他元件的電流超過正常工作電流。由于晶閘管等功率半導(dǎo)體器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此必須對變流裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。圖2-26 晶閘管裝置可能采用的過電流保護(hù)措施A交流進(jìn)線電抗器；B電流檢測和過流繼電器；C、D、E快速熔斷器；F過流繼電器；G直流快速開關(guān)晶閘管變流裝置可能采用的幾種過電流保護(hù)措施如圖2-26所示。 2.2 電流型自關(guān)斷器件的驅(qū)動 2.2.1 門極可關(guān)斷晶閘管的驅(qū)動基本要求門極可關(guān)斷晶閘管

12、(GTO)可以用正門極電流開通和負(fù)門極電流關(guān)斷。在工作機理上，開通時與一般晶閘管基本相同，關(guān)斷時則完全不一樣。因此需要具有特殊的門極關(guān)斷功能的門極驅(qū)動電路。理想的門極驅(qū)動電流波形如圖2-29所示，驅(qū)動電流波形的上升沿陡度、波形的寬度和幅度、及下降沿的陡度等對GTO的特性有很大影響。GTO門極驅(qū)動電路包括門極開通電路、門極關(guān)斷電路和門極反偏電路。對GTO而言，門極控制的關(guān)鍵是關(guān)斷。(1) 門極開通電路GTO的門極觸發(fā)特性與普通晶閘管基本相同，驅(qū)動電路設(shè)計也基本一致。要求門極開通控制電流信號具有前沿陡、幅度高、寬度大、后沿緩的脈沖波形。脈沖前沿陡有利于GTO的快速導(dǎo)通，一般dIGF/dt為510A

13、/s；脈沖幅度高可實現(xiàn)強觸發(fā)，有利于縮短開通時間，減少開通損耗；脈沖有足夠的寬度則可保證陽極電流可靠建立；后沿緩一些可防止產(chǎn)生振蕩。(2) 門極關(guān)斷電路已導(dǎo)通的GTO用門極反向電流來關(guān)斷，反向門極電流波形對GTO的安全運行有很大影響。要求關(guān)斷控制電流波形為前沿較陡、寬度足夠、幅度較高、后沿平緩。一般關(guān)斷脈沖電流的上升率dIGR/dt取1050A/s，這樣可縮短關(guān)斷時間，減少關(guān)斷損耗，但dIGR/dt過大時會使關(guān)斷增益下降，通常的關(guān)斷增益為35，可見關(guān)斷脈沖電流要達(dá)到陽極電流的1/51/3，才能將GTO關(guān)斷。當(dāng)關(guān)斷增益保持不變，增加關(guān)斷控制電流幅值可提高GTO的陽極可關(guān)斷能力。關(guān)斷脈沖的寬度一般

14、為120s左右。圖2-29 理想的GTO門極驅(qū)動電流波形(3) 門極反偏電路由于結(jié)構(gòu)原因，GTO與普通晶閘管相比承受du/dt的能力較差，如陽極電壓上升率較高時可能會引起誤觸發(fā)。為此可設(shè)置反偏電路，在GTO正向阻斷期間于門極上施加負(fù)偏壓，從而提高電壓上升率du/dt的能力。 2.2.2 大功率晶體管的驅(qū)動1基本要求GTR基極驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的控制信號電流放大到足以保證大功率晶體管能可靠開通或關(guān)斷。而GTR的基極驅(qū)動方式直接影響它的工作狀況，可使某些特性參數(shù)得到改善或受到損害，故應(yīng)根據(jù)主電路的需要正確選擇、設(shè)計基極驅(qū)動電路。基極驅(qū)動電路一般應(yīng)有以下基本要求：1) GTR導(dǎo)

15、通期間，管子的管壓降應(yīng)在準(zhǔn)飽和工作狀態(tài)下盡可能小，基極電流Ib能自動調(diào)節(jié)以適應(yīng)負(fù)載電流的變化，保證GTR隨時處于準(zhǔn)飽和工作狀態(tài)；GTR關(guān)斷時，基極能迅速加上足夠大的基極反偏電壓。這樣可保證GTR能快速開關(guān)。2) 基極驅(qū)動電路應(yīng)與邏輯電路、控制電路在電氣上隔離，通常采用光電隔離或變壓器隔離等方式來實現(xiàn)。3) 基極驅(qū)動電路應(yīng)有足夠的保護(hù)功能，防止GTR過流或進(jìn)入放大區(qū)工作。圖2-32 理想的基極電流波形及集電極電流波形理想的基極電流波形如圖2-32所示。正向基極驅(qū)動電流的前沿要陡，即上升率dib/dt要高，目的是縮短開通時間，初始基極電流幅值IbmIb1，以便使GTR能迅速飽和，減少開通時間，使上

16、升時間tr下降，降低開關(guān)損耗。當(dāng)GTR導(dǎo)通后，基極電流應(yīng)及時減少到Ib1，恰好維持GTR處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，使基區(qū)和集電區(qū)間的存儲電荷較少，從而使GTR在關(guān)斷時，儲存時間ts縮短，開關(guān)安全區(qū)擴(kuò)大。在關(guān)斷時，GTR應(yīng)加足夠大的負(fù)基極電流Ib2，使基區(qū)存儲電荷盡快釋放，從而使存儲時間ts和下降時間tf縮短，減少關(guān)斷損耗。在上述理想的基極電流作用下，可使GTR快速可靠開通、關(guān)斷，開關(guān)損耗下降，防止二次擊穿并可擴(kuò)大安全工作區(qū)。在GTR正向阻斷期間，可在基極和發(fā)射極間加一定的負(fù)偏壓，以提高GTR的阻斷能力。2貝克鉗位電路當(dāng)GTR導(dǎo)通后，基極驅(qū)動電路應(yīng)能提供足夠大的基極電流使GTR處于飽和或準(zhǔn)飽和狀態(tài)，以便降

17、低通態(tài)損耗保證GTR的安全。而基極電流過大會使GTR的飽和度加深，飽和壓降小，導(dǎo)通損耗也小。但深度飽和對GTR的關(guān)斷特性不利，使存儲時間加長，限制了GTR的開關(guān)頻率。因此在開關(guān)頻率較高的場合，不希望GTR處于深度飽和狀態(tài)，而要求GTR處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)。圖2-33 貝克鉗位電路抗飽和電路即為一種不使GTR進(jìn)入深度飽和狀態(tài)下工作的電路，圖2-33所示的貝克鉗位電路即為一種抗飽和電路。利用此電路再配以固定的反向基極電流或固定的基極發(fā)射極反向偏壓，即可獲得較為滿意的驅(qū)動效果。當(dāng)GTR導(dǎo)通時，只要鉗位二極管VD1處于正偏狀態(tài)，就有下述關(guān)系從而有如二極管導(dǎo)通壓降UD=0.7V，則Uce=1.4V使GTR處于

18、準(zhǔn)飽和狀態(tài)。鉗位二極管VD1相當(dāng)于溢流閥的作用，使過量的基極驅(qū)動電流不流入基極。改變VD2支路中串聯(lián)的電位補償二極管的數(shù)目可以改變電路的性能。如集電極電流很大時，由于集電極內(nèi)部電阻兩端壓降增大會使GTR處于深度飽和狀態(tài)下工作，在此情況下，可適當(dāng)增加VD2支路的二極管數(shù)目。為滿足GTR關(guān)斷時需要的反向截止偏置，圖中反并聯(lián)了二極管VD4，使反向偏置有通路。電路中VD1應(yīng)選擇快速恢復(fù)二極管，因VD1恢復(fù)期間，電流能從集電極流向基極而使GTR誤導(dǎo)通。VD2、VD3應(yīng)選擇快速二極管，它們的導(dǎo)通速度會影響GTR基極電流上升率。 2.3 電壓型自關(guān)斷器件的驅(qū)動2.3.1 功率場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動基本

19、要求功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）是電壓型控制器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，因此可以做成高速開關(guān)。由于P-MOSFET的輸入阻抗很大，故驅(qū)動電路可做得很簡單，且驅(qū)動功率也小。P-MOSFET各極間有分布電容，元件在開關(guān)過程中要對電容進(jìn)行充放電，因此在動態(tài)驅(qū)動時還需一定的柵極驅(qū)動功率。按驅(qū)動電路與P-MOSFET柵極的連接方式可分為直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動，隔離驅(qū)動常采用脈沖變壓器或光耦器件進(jìn)行隔離。2.3.2 絕緣柵雙極型晶體管的驅(qū)動基本要求絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是具有P-MOSFET的高速開關(guān)和電壓驅(qū)動特性及雙極型晶體管的低飽和電壓特性的電力半導(dǎo)體器件。由于IGBT具有與P-MOS

20、FET相似的輸入特性，輸入阻抗高，因此驅(qū)動電路相對比較簡單，驅(qū)動功率也比較小。IGBT驅(qū)動電路有以下基本要求：1）充分陡的脈沖上升沿和下降沿 在IGBT開通時，前沿很陡的門極電壓加到柵極和發(fā)射極間，可使IGBT快速開通，從而減小了開通損耗；在IGBT關(guān)斷時，驅(qū)動電路提供下降沿很陡的關(guān)斷電壓，并在柵極和發(fā)射極之間加一適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，使IGBT快速關(guān)斷，縮短關(guān)斷時間減小關(guān)斷損耗。2）足夠大的驅(qū)動功率 IGBT導(dǎo)通后，驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅值，使IGBT功率輸出級總處于飽和狀態(tài)。當(dāng)IGBT瞬時過載時，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。3）合適的正向驅(qū)動電壓UGE

21、 當(dāng)正向驅(qū)動電壓UGE增加時，IGBT輸出級晶體管的導(dǎo)通壓降UCE和開通損耗值將下降；但在負(fù)載短路過程中，IGBT的集電極電流也隨UGE增加而增加，并使IGBT承受短路損壞的脈寬變窄，因此UGE要選合適的值，一般可?。?±10%）15V。4）合適的反偏壓 IGBT關(guān)斷時，柵極和發(fā)射極間加反偏壓可使IGBT快速關(guān)斷，但反偏壓數(shù)值也不能過高，否則會造成柵射極反向擊穿。反偏壓的一般范圍為-2V-10V。5）驅(qū)動電路最好與控制電路在電位上隔離。要求驅(qū)動電路有完整的保護(hù)功能，抗干擾性能好，驅(qū)動電路到IGBT模塊的引線盡可能短，最好小于1米，且采用絞線或同軸電纜屏蔽線，以免引起干擾。 

22、2.4 自關(guān)斷器件的保護(hù)2.4.1 大功率晶體管的保護(hù)1過流保護(hù)GTR承受電流沖擊的能力很弱，使用快速熔斷器作為過流保護(hù)無任何意義，因為GTR可能先行燒毀。此時只能用電子開關(guān)的快速動作進(jìn)行過流保護(hù)，其原則是在集電極電流未達(dá)破壞元件之值前就撤去基極驅(qū)動信號，同時施加反向偏置使晶體管截止。圖2-48為GTR的輸出特性（伏安特性），其上可劃分出飽和區(qū)、準(zhǔn)（臨界）飽和區(qū)、線性放大區(qū)及截止區(qū)。在飽和區(qū)，GTR的通態(tài)損耗最小，但這種狀態(tài)不利于器件迅速關(guān)閉切換至截止區(qū)。為此，可通過減小和控制正向基極偏置使GTR處于飽和狀態(tài)的邊緣，即準(zhǔn)飽和狀態(tài)，此時其通態(tài)損耗比飽和狀態(tài)下稍高、但大大低于線性放大狀態(tài)。因此，工

23、作在開關(guān)狀態(tài)的GTR其負(fù)載極限工作點應(yīng)通過基極電流Ib調(diào)整在準(zhǔn)飽和區(qū)，如A點（Uceg，Icg）。 圖2-48 GTR輸出特性 圖2-49 GTR過流保護(hù)原理圖由于GTR的通態(tài)壓降Uce與元件工作點直接有關(guān)，故可采用Uce作為過載特征參數(shù)，實行有效的過流保護(hù)。圖2-49為其原理性電路圖。2緩沖電路在圖2-50所示的電感負(fù)載下，為抑制GTR關(guān)斷時產(chǎn)生的負(fù)載自感過電壓，電感L兩端常并接續(xù)流二極管VDF，使GTR關(guān)斷時有負(fù)載電流IL經(jīng)它續(xù)流。無論在開還是關(guān)的過程，GTR都要經(jīng)歷電壓、電流同時很大的一段時間，造成開關(guān)損耗p很大，如圖2-51所示，這就限制了器件的工作頻率。為此，需采用緩沖電路來解決開關(guān)

24、損耗過大問題，其基本思想是錯開高電壓、大電流出現(xiàn)的時刻，使兩者之積（瞬時功率）減小。 圖2-50 GTR帶電感性負(fù)載圖         圖2-51 GTR的關(guān)斷、開通過程                              

25、                            圖2-52為GTR關(guān)斷吸收電路，它是在GTR集射極間并聯(lián)電容C，利用電容兩端電壓不能突變的原理延緩關(guān)斷時集射極間電壓Uce上升速度，使Uce達(dá)最大值之前集電極電流Ic已變小，從而使關(guān)斷過程瞬時功耗p變小，如圖2-52b）所示。圖a）中串聯(lián)電阻是為了限制GTR導(dǎo)通時電容的放電

26、電流，二極管VD則是在GTR關(guān)斷時將R旁路，以充分利用電容的穩(wěn)壓作用。 圖2-52 GTR的關(guān)斷吸收電路a)原理電路；b）原理曲線圖2-53a）是開通吸收電路，其中與GTR串聯(lián)的電感LS延緩了集電極電流的增長速度，且當(dāng)電流急劇增大時會在其上產(chǎn)生較大壓降，使得集射極電壓在導(dǎo)通時迅速下降。這樣電壓、電流出現(xiàn)最大值的時間錯開，關(guān)斷時功率損耗p明顯減少，如圖2-53b）所示。圖a）中與LS并聯(lián)電阻可使GTR關(guān)斷后續(xù)流電流迅速衰減，二極管則在GTR導(dǎo)通時隔離RS對LS的旁路作用。a）原理電路 b）原理曲線       

27、60;                                      圖2-53 GTR的開通吸收電路在實用中常將開通與關(guān)斷吸收電路組合在一起構(gòu)成復(fù)合吸收電路，圖2-54為其中一種。圖中LS、RS、VD組成開通吸收電路，RS、VD、CS組成關(guān)斷吸收電路。              圖2-54