二功率半導體器件的驅動與保護

1、第二章功率半導體器件的驅動與保護2.1晶閘管的驅動與保護晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是將控制信號 Uk轉變成延遲角a<或份信號，向晶閘管提供門 極電流，決定各個晶閘管的導通時刻。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。下面介紹

2、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)脈沖信號應有一定的功率和寬度。3）為使并聯晶閘管元件能同時導通，則觸發(fā)電路應能產生強觸發(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a下觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，也就是說觸發(fā)信號應與電源保持固定的相位關系。同時，為了使電 路在給定的范圍內工作，應保證觸發(fā)脈沖能在相應范圍內進行移相。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，因為鋸齒波同步觸發(fā) 電路具

3、有較好的抗電路干擾、抗電網波動的性能及有較寬的調節(jié)范圍，因此得到了廣泛的 應用。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。15* 1 : *MV1* =-LT 1/fIi ii i!*B圖2-9鋸齒波同步移相觸發(fā)電路JV««H/ 1 /IV0,7V FM： ! iIfTrlt* vi1 IIV /廠riif盂Tii!|Ii“ iu崛di1! isJMf3ftY丁込1圖2-10鋸齒波移相觸發(fā)電路電壓波形4 集成觸發(fā)器KC隨著電力電子技術及微電子技術的發(fā)展

4、，集成化晶體管觸發(fā)電路已得到廣泛的應用。 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。下面介紹國內常用的 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，其中虛線框內為集成電路部分，框外為外接電容、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字式觸發(fā)電路。目 前使用的數字式觸發(fā)電路大多為由計算機通常為單片機等）構成的數字觸發(fā)器。圖2-15為常見的MCS 96系列單片機構成的數字觸發(fā)器的原理框圖。該數字

5、觸發(fā)器由脈沖同步、脈沖移相、脈沖 形成與輸出等幾個咅部分構成。 f1-i人0號sK圖2-15單片機數字觸發(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正 相對陰極而言）時產生，晶閘管才能被觸發(fā)導通。在調試電力電 子裝置時，有時會遇到這種現象：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)電路合成調試時，卻發(fā)現電路 工作不正常，直流輸出電壓 Ud波形不規(guī)則、不穩(wěn)定，移相調節(jié)不起作用。這種不正?，F象 主要是主電路與觸發(fā)電路沒實現同步引起的，即送到主電路各晶閘管的觸發(fā)

6、脈沖與其陽極 電壓之間相位沒有正確對應。因此必須根據被觸發(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系取決于主電路的不同方式，觸發(fā)電路的類型，負載性質及不同的移相要求。晶閘管的串、并聯與保護1 晶閘管的串聯當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來 滿足，如圖2-19所示。a元件承受的反向電壓R c R C5 Jb串聯均壓電路 圖2-19晶閘管的

7、串聯因為元件特性的分散性，當兩個同型號晶閘管串聯后，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b時，元件上承受的電壓相差甚遠的情況，承受高電壓的元件有可能因超過額定電壓而損壞。為了使各元件上的電壓分配均勻，除選用特性比較一致的元件進行串聯以外，應采取均壓措施。2晶閘管的并聯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。因為并聯 各晶閘管在導通狀態(tài)下的伏安特性不可能完全一致，相同管壓降下各元件負擔的電流不相 同，可能相差很大，如圖 2-20a 所示。為了均衡并聯晶閘管元件的電流，除選用正向特

8、性一致的元件外，應采用均流 措施。Ut 3a并聯時的電流分配b串電感均流圖2-20晶閘管的并聯3.過壓保護晶閘管元件有很多的優(yōu)點，但因為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 適當的保護措施。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。過電壓根據產生 的原因可分為二大類：操作過電壓：由變流裝置拉、合閘和器件關斷等經常性操作中電 磁過程引起的過電壓；浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網進入變流裝置的過 電壓，其幅

9、度可能比操作過電壓還高。對過電壓進行保護的原則是：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)和反向不重復峰值電壓U DSM和U RSM以下。一個晶閘管變流裝置或系統應采取過電壓保護措施的部位可分為交流側，直流側，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措施4.過電流保護當變流裝置內部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障，外部出現負載 過載、直流側短路、可逆?zhèn)鲃酉到y產生環(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。因為晶閘管等功率半導體器件 的電流過載能力比一般電氣設

10、備差得多，因此必須對變流裝置進行適當的過電流保護。tik 1電菇圖2-26晶閘管裝置可能采用的過電流保護措施A交流進線電抗器；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 晶閘管變流裝置可能采用的幾種過電流保護措施如圖2-26所示。2.2電流型自關斷器件的驅動門極可關斷晶閘管的驅動基本要求門極可關斷晶閘管(GTO可以用正門極電流開通和負門極電流關斷。在工作機理上， 開通時與一般晶閘管基本相同，關斷時則完全不一樣。因此需要具有特殊的門極關斷功能 的門極驅動電路。理想的門極驅動電流波形如圖2-29所示，驅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

11、GTO的特性有很大影響。GTO門極驅動電路包括門極開通電路、門極關斷電路和門極反偏電路。對GTO而言，門極控制的關鍵是關斷。(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，驅動電路設計也基本一致。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的快速導通，一般dlGF/dt為510A/卩；脈沖幅度高可實現強觸發(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生振蕩。(2門極關斷電路 已導通的GTO用門極反向電流來關斷，反向門極電流波形對 GTO的安全運行有很大影 響。要求關斷控制電流波形為

12、前沿較陡、寬度足夠、幅度較高、后沿平緩。一般關斷脈沖電流的上升率dlGR/dt取1050A/這樣可縮短關斷時間，減少關斷損耗，但dlGR/dt過大時會使關斷增益下降，通常的關斷增益為35，可見關斷脈沖電流要達到陽極電流的1/51/3，才能將GTO關斷。當關斷增益保持不變，增加關斷控制電流幅值可提咼GTO的陽極可關斷能力。關斷脈沖的寬度一般為120左右。圖2-29理想的GTO門極驅動電流波形(3>門極反偏電路 因為結構原因，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)。為此可設置反偏電路，在GTO正向阻斷期間于門極上施加負偏壓，從而提高電壓上升

13、率du/dt的能力。222大功率晶體管的驅動1基本要求GTR基極驅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斷。而 GTR的基極驅動方式直接影響它的工作狀況，可使某些特性參 數得到改善或受到損害，故應根據主電路的需要正確選擇、設計基極驅動電路。基極驅動 電路一般應有以下基本要求：1>GTR導通期間，管子的管壓降應在準飽和工作狀態(tài)下盡可能小，基極電流lb能自動調節(jié)以適應負載電流的變化，保證 GTR隨時處于準飽和工作狀態(tài)； GTR關斷時，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。2> 基極驅動電路應與邏輯電路、控制電路

14、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。3>基極驅動電路應有足夠的保護功能，防止GTR過流或進入放大區(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。正向基極驅動電流的前沿要陡，即上升率dib/d傻高，目的是縮短開通時間，初始基極電流幅值lbm> Ibi，以便使GTR能迅速飽和，減少開通時間，使上升時間匕下降，降低開關損耗。當GTR導通后，基極電流應及時減少到Ibi,恰好維持GTR處于準飽和狀態(tài)，使基區(qū)和集電區(qū)間的存儲電荷較少，從而使GTR在關斷時，儲存時間ts縮短，開關安全區(qū)擴大。在關斷時，GTR應加足夠大的負基極電流lb

15、2，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、關斷，開關損耗下降，防止二次擊穿并可擴大安全工作區(qū)。在GTR正向阻斷期間，2.貝克鉗位電路當GTR導通后，基極驅動電路應能提供足夠大的基極電流使GTR處于飽和或準飽和狀態(tài)，以便降低通態(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，導通損耗也小。但深度飽和對GTR的關斷特性不利，使存儲時間加長，限制了 GTR的開關頻率。因此在開關頻率較高的場合，不希望GTR處于深度飽和狀態(tài)，而要求 GTR處于準飽和狀態(tài)。圖2-33貝克鉗位電路抗飽和

16、電路即為一種不使 GTR進入深度飽和狀態(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動效果。當GTR導通時，只要鉗位二極管VDi處于正偏狀態(tài)，就有下述關系從而有如二極管導通壓降 Ud=0.7V，則Uce=1.4V使GTR處于準飽和狀態(tài)。鉗位二極管VDi相當于溢流閥的作用，使過量的基極驅動電流不流入基極。改變VD2支路中串聯的電位補償二極管的數目可以改變電路的性能。如集電極電流很大時，因為集 電極內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，可適當增加 VD2支路的二極管數

17、目。為滿足 GTR關斷時需要的反向截止偏置，圖中反并聯了二極管VD4,使反向偏置有通路。電路中VDi應選擇快速恢復二極管，因 VDi恢復期間，電流能從集電極流向基極而使GTR誤導通。VD2、VD3應選擇快速二極管，它們的導通速度會影響GTR基極電流上升率。2.3電壓型自關斷器件的驅動功率場效應晶體管的驅動基本要求功率場效應晶體管P- MOSFET ）是電壓型控制器件，沒有少數載流子的存貯效應，因此可以做成高速開關。因 為P-MOSFET的輸入阻抗很大，故驅動電路可做得很簡單，且驅動功率也小。P-MOSFET各極間有分布電容，元件在開關過程中要對電容進行充放電，因此在動態(tài)驅動時 還需一定的柵極驅

18、動功率。按驅動電路與P-MOSFET柵極的連接方式可分為直接驅動和隔離驅動，隔離驅動常采用脈沖變壓器或光耦 器件進行隔離。絕緣柵雙極型晶體管的驅動基本要求絕緣柵雙極型晶體管IGBT ）是具有P- MOSFET的高速開關和電壓驅動特性及雙極型晶體管的低飽和電壓特性的電力半導體器件 。因為IGBT具有與P-MOSFET相似的輸入特性，輸入阻抗高，因此驅動電路相對比較簡單，驅動功率也比較小。IGBT驅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關斷時，驅動電路提供下降沿很陡的關斷電壓

19、，并在柵極和發(fā)射極之間加一適當的反向偏壓，使IGBT快速關斷，縮短關斷時間減小關斷損耗。2）足夠大的驅動功率IGBT導通后，驅動電路的驅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IGBT瞬時過載時，柵極驅動電路提供的驅動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。3）合適的正向驅動電壓 Uge當正向驅動電壓Uge增加時，IGBT輸出級晶體管的導通壓降Uce和開通損耗值將下降；但在負載短路過程中，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，一般可取 1±10%）15V。4）合適的反偏壓IGBT關斷時，柵極和發(fā)射

20、極間加反偏壓可使IGBT快速關斷，但反偏壓數值也不能過高，否則會造成柵射極反向擊穿。反偏壓的一般范圍為-2V-10V。5）驅動電路最好與控制電路在電位上隔離。要求驅動電路有完整的保護功能，抗干擾 性能好，驅動電路到IGBT模塊的引線盡可能短，最好小于 1M，且采用絞線或同軸電纜屏 蔽線，以免引起干擾。2.4自關斷器件的保護241大功率晶體管的保護1. 過流保護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無任何意義，因為GTR可能先行燒毀。此時只能用電子開關的快速動作進行過流保護，其原則是在集電極電流未 達破壞元件之值前就撤去基極驅動信號，同時施加反向偏置使晶體管截止。圖2-48為G

21、TR的輸出特性 伏安特性），其上可劃分出飽和區(qū)、準臨界）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，工作在開關狀態(tài)的 GTR其負載極限工作點應通過基極電流lb調整在準飽和區(qū)，如A點Uceg, leg）。if.也駆W圖2-48 GTR輸出特性圖2-49 GTR過流保護原理圖因為GTR的通態(tài)壓降Uee與元件工作點直接有關，故可采用Uee作為過載特征參數，實行有效的過流保護。圖2-49為其原理性電路圖。2.

22、 緩沖電路在圖2-50所示的電感負載下，為抑制 GTR關斷時產生的負載自感過電壓，電感 L兩端常并接續(xù)流 二極管VDf,使GTR關斷時有負載電流II經它續(xù)流。無論在開還是關的過程， GTR都要經 歷電壓、電流同時很大的一段時間，造成開關損耗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損耗過大問題, 其基本思想是錯開高電壓、大電流出現的時刻，使兩者之積瞬時功率）減小。圖2-50 GTR帶電感性負載圖圖2-51GTR的關斷、開通過程圖2-52為GTR關斷吸收電路，它是在 GTR集射極間并聯電容C,利用電容兩端電壓不能突變的 原理延緩關斷時集射極間電壓Uce上升

23、速度，使Uce達最大值之前集電極電流lc已變小，從而使關斷過程瞬時功耗p變小，如圖2-52b）所示。圖a）中串聯電阻是為了限制 GTR導通時電容的放電電流，二極管 VD則是在G TR關斷時將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串聯的電感Ls延緩了集電極電流的增長速度，且當電流 急劇增大時會在其上產生較大壓降，使得集射極電壓在導通時迅速下降。這樣電壓、電流 出現最大值的時間錯開，關斷時功率損耗p明顯減少，如圖2-53b）所示。圖a）中與Ls并聯電阻可使GTR關斷后續(xù)流電流迅速衰減，二極管則在GTR導通時隔離Rs對Ls的旁路作用。a）原理電路b）原理曲線圖2-53 GTR的開通吸收電路在實用中常將開通與關斷吸收電路組合在一起構成復合吸收電路，圖2-54為其中一種。圖中Ls、Rs、VD組成開通吸收電路，Rs、VD、Cs組成關斷吸收電路。圖2-54 GTR復合緩沖電路圖2-55 IGBT緩沖電路242絕緣柵雙極型晶體管的保護IGBT的保護措施有:1）通過檢測過電流信號來切斷柵極控制信號，關斷器件，實現過流保護。2） 采用吸收電路抑制過電壓、限制過大的重加電壓上升率dUce/dt。3）用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，過熱時使主電路跳閘保護。 IGBT使用中必須