大功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

摘要：介紹了大功率晶體管（GTR）基極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，分析了基極驅(qū)動(dòng)電路的要求及其設(shè)計(jì)方法，并給出一種實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路。

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

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(yùn)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(dòng)電路又是開(kāi)關(guān)器件安全可靠運(yùn)行的重要保障。本文重點(diǎn)介紹GTR的基極驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(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(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)于工作在開(kāi)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(kāi)關(guān)，當(dāng)飽和導(dǎo)通時(shí)，有管壓降V_CES，關(guān)斷時(shí)有漏電流I_CEO；加之開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中具有開(kāi)通時(shí)間t_on。（含延遲時(shí)間t_d和上升時(shí)間t_r），關(guān)斷時(shí)間t_off（含存貯時(shí)間t_s和下降時(shí)間t_f），因此使用GTR時(shí)，對(duì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)原則

GTR基極驅(qū)動(dòng)電路和性能直接影響著GTR的工作狀況，因此在設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方式和自動(dòng)快速保護(hù)。

所謂最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)，就是以理想的基極驅(qū)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(qū)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(qū)動(dòng)電流I_B1。導(dǎo)通階段的基極驅(qū)動(dòng)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(chǔ)時(shí)間t_s。一般情況下，過(guò)驅(qū)動(dòng)電流I_B1的數(shù)值選為準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)電流值I_B2的3倍左右，過(guò)驅(qū)動(dòng)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(shí)，反向基極驅(qū)動(dòng)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(shí)間，減小關(guān)斷損耗，實(shí)際應(yīng)用中，常選I_B3=I_B1或更大一些。這種基極驅(qū)動(dòng)波形一般由加速電路和貝克箝位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 理想的基極驅(qū)動(dòng)電流波形

另外，GTR的驅(qū)動(dòng)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(dòng)切除基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(kāi)關(guān)速度，可采用抗飽和保護(hù)電路；要保證開(kāi)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(dòng)導(dǎo)致器件過(guò)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(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)電路。

基極驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成形式很多，歸結(jié)起來(lái)有三個(gè)明顯的趨勢(shì)：

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(dòng)保護(hù)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(qū)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(hù)基極驅(qū)動(dòng)電路，它不但能維持GTR工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，而且可以對(duì)GTR的過(guò)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(kāi)關(guān)特性，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，降低驅(qū)動(dòng)功率，提高驅(qū)動(dòng)效率，具體電路如圖2所示。它主要由信號(hào)隔離電路，退飽和檢測(cè)電路，控制信號(hào)綜合電路和具有反偏壓的自適應(yīng)輸出電路組成。信號(hào)隔離電路由光電耦合器B_D構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)邏輯控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間的電氣隔離；退飽和檢測(cè)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(shí)，電壓比較器A₁輸出過(guò)載保護(hù)信號(hào)?？刂菩盘?hào)的綜合電路由三極管V₁構(gòu)成。其功能是將正常的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與退飽和禁止信號(hào)疊加處理后送至輸出級(jí)。具有反偏壓的自適應(yīng)輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)由三級(jí)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(qū)動(dòng)波形。

圖2 基極驅(qū)動(dòng)電路