GTO驅動電路.doc

門極可關斷晶閘管GTO驅動電路1.電力電子器件驅動電路簡介電力電子器件的驅動電路是指主電路與控制電路之間的接口，可使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現(xiàn)。驅動電路的基本任務：按控制目標的要求施加開通或關斷的信號；對半控型器件只需提供開通控制信號；對全控型器件則既要提供開通控制信號；又要提供關斷控制信號。門極可關斷晶閘管簡稱GTO, 是一種通過門極來控制器件導通和關斷的電力半導體器件，它的容量僅次于普通晶閘管，它應用的關鍵技術之一是其門極驅動電路的設計。門極驅動電路設計不好，常常造成GTO晶閘管的損壞，而門極關斷技術應特別予以重視。門極可關斷晶閘管GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。2.GTO驅動電路的設計要求 由于GTO是電流驅動型，所以它的開關頻率不高。GTO驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。用理想的門極驅動電流去控制GTO 的開通和關斷過程， 以提高開關速度，減少開關損耗。GTO要求有正值的門極脈沖電流，觸發(fā)其開通；但在關斷時，要求很大幅度的負脈沖電流使其關斷。因此全控器件GTO的驅動器比半控型SCR復雜。門極電路的設計不但關系到元件的可靠導通和關斷, 而且直接影響到元件的開關時間、開關損耗, 工作頻率、最大重復可控陽極電流等一系列重要指標。門極電路包括門極開通電路和門極關斷電路。GTO對門極開通電路的要求:GTO的掣住電流比普通晶閘管大得多, 因此在感性負載的情況下, 脈沖寬度要大大加寬。此外, 普通晶閘管的通態(tài)壓降比較小, 當其一旦被觸發(fā)導通后, 觸發(fā)電流可以完全取消, 但對于GTO, 即使是阻性負載, 為了降低其通態(tài)壓降, 門極通常仍需保持一定的正向電流, 因此, 門極電路的功耗比普通品閘管的觸發(fā)電路要大的多。對門極關斷電路的要求：GTO對作為關斷脈沖的負向門極電流有很高的要求。負向門極電流的幅值，斜率直接影響到元件的元斷能力、關斷時間及關斷損耗。要求門極關斷回路有足夠大的動力源, 回路阻抗和感抗非常小，用作門極關斷回路的開關元件要有很小的內阻, 較寬的頻帶和較好的承受沖擊電流的能力。3GTO的普通驅動電路下圖1為普通的GTO驅動電路原理圖。當輸入信號為正脈沖時，光耦合器B導通，三極管V1截止，V2和V3導通，電源E1經(jīng)R7、V3及C3(R8)觸發(fā)GTO導通。當輸入信號為零脈沖時，光耦合器B截止，V1導通，V2和V3截止。關斷電路中的V4導通，V5截止，晶閘管VT經(jīng)R13和R14獲得觸發(fā)信號并導通，電源E2經(jīng)VT、GTO、R8、R15形成門極負電流使GTO關斷。電路中C1到C5為加速電容。圖1 門極可關斷晶閘管驅動電路應用這種電路驅動GTO時，容易造成大容量晶閘管內部數(shù)個并聯(lián)的小晶閘管開通過程中先是局部幾個單元開通，然后等離子體在整個芯片內向邊沿擴展。最初較高的電流上升率可能使最先導通的區(qū)域過載而導致器件損壞，因此必須采用較大的抑制電感來抑制電流上升率。同時，為了獲得合理的關斷增益，對于GTO 晶閘管響應時間來說只能施加較小的門極電流，從而導致存儲時間過長(20us)，造成關斷不同步，du/ dt耐量低, 并需要體積龐大的吸收電容。因此，這種電路的最高開關頻率一般限制在300500Hz。下面介紹新型的“硬驅動門極驅動技術”。4.“硬驅動”門極驅動技術所謂GTO晶閘管的“硬驅動”是指在GTO在關斷過程中的短時間內，給其內陰極加以上升率di/dt及幅值都很大的驅動信號。圖2是硬驅動門極單元的典型電路。它可分成兩部分，上部分電路控制開通過程，下部分電路控制關斷過程, 且兩部分獨立工作。電路設計時應使其電感最小值化，LG為雜散電感。其工作過程分析如下：在開通期間，電容通過開關放電，在約250ns內產(chǎn)生1000A的硬驅動門極電流。門極電流通過二極管維持在高水平，然后通過由5V電源維持。在較大門極電流脈沖作用下，GTO晶閘管等效原理電路中N-P-N晶體管開通，N發(fā)射區(qū)注入電子，并輸送到N基區(qū)，產(chǎn)生相應空穴注入?？昭姾蓞^(qū)開始崩縮，陰極電壓在100 ns內下降到VA 200V。此時，主電流仍很小，這就意味著晶體管作用強于晶閘管作用。在關斷期間，電容C2通過開關吸收數(shù)千安培的大電流脈沖，電流脈沖的上升時間約為1.5us。另外，開關用來維持器件的阻斷狀態(tài)。圖2 新型“硬驅動”門極單元簡圖5.小結GTO 晶閘管既具有普通晶閘管的優(yōu)點，同時又具有GT