第二章功率半导体器件的驱动与保护.docx
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第二章功率半导体器件的驱动与保护
第二章功率半导体器件的驱动与保护
2.1晶闸管的驱动与保护
2.1.1晶闸管的触发电路
晶闸管触发电路的作用是将控制信号Uk转变成延迟角α（或β）信号，向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。
因此，触发电路与主电路一样是晶闸管装置中的重要部分。
两者之间既相对独立，又相互依存。
正确设计的触发电路可以充分发挥晶闸管装置的潜力，保证运行的安全可靠。
触发电路在晶闸管变流装置中的地位如图2-1所示，可把触发电路和主电路看成一个功率放大器，以小功率的输入信号直接控制大功率的输出。
图2-1触发电路在晶闸管装置中的地位
1．触发脉冲要求
晶闸管装置种类很多，工作方式也不同，故对触发电路的要求也不同。
下面介绍对触发电路的基本要求。
1）一般触发信号采用脉冲形式。
2）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。
3）为使并联晶闸管元件能同时导通，则触发电路应能产生强触发脉冲。
4）触发脉冲的同步及移相范围。
为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角α下触发导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。
同时，为了使电路在给定的范围内工作，应保证触发脉冲能在相应范围内进行移相。
5）隔离输出方式及抗干扰能力。
触发电路通常采用单独的低压电源供电，因此应采用某种方法将其与主电路电源隔离。
3．锯齿波同步移相触发器
常用的触发电路有正弦波同步触发电路和锯齿波同步触发电路，由于锯齿波同步触发电路具有较好的抗电路干扰、抗电网波动的性能及有较宽的调节范围，因此得到了广泛的应用。
该电路由同步检测环节、锯齿波形成环节、同步移相控制环节及脉冲形成与放大环节等组成。
图2-9为锯齿波同步移相触发电路图。
图2-10为锯齿波移相触发电路各点电压波形。
图2-9锯齿波同步移相触发电路
图2-10锯齿波移相触发电路电压波形
4．集成触发器
随着电力电子技术及微电子技术的发展，集成化晶体管触发电路已得到广泛的应用。
集成化触发器具有体积小、功耗低、性能可靠、使用方便等优点。
下面介绍国内常用的KC（或KJ）系列单片移相触发电路。
KC04集成触发器电路的电原理如图2-14所示，其中虚线框内为集成电路部分，框外为外接电容、电阻等元件，该电路由同步检测、锯齿波形成、移
相、脉冲形成、脉冲分选及功放等环节组成。
图2-14KC04集成触发器电原理图
5．数字触发器
为了提高触发脉冲的对称度，对较大型的晶闸管变流装置采用了数字式触发电路。
目前使用的数字式触发电路大多为由计算机（通常为单片机等）构成的数字触发器。
图2-15为常见的MCS—96系列单片机构成的数字触发器的原理框图。
该数字触发器由脉冲同步、脉冲移相、脉冲形成与输出等几个部分构成。
图2-15单片机数字触发器
6．触发电路与主电路的同步
在三相晶闸管电路中，选择触发电路的同步信号是一个很重要的问题。
只有触发脉冲在晶闸管阳极电压为正（相对阴极而言）时产生，晶闸管才能被触发导通。
在调试电力电子装置时，有时会遇到这种现象：
晶闸管主电路线路正确，元件完好；而触发电路线路也正确，各输出脉冲正常，能符合移相要求；但主电路与触发电路合成调试时，却发现电路工作不正常，直流输出电压ud波形不规则、不稳定，移相调节不起作用。
这种不正常现象主要是主电路与触发电路没实现同步引起的，即送到主电路各晶闸管的触发脉冲与其阳极电压之间相位没有正确对应。
因此必须根据被触发晶闸管的阳极电压相位正确供给各触发电路特定相位的同步信号电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发信号的时刻输出脉冲。
这种正确选择同步电压相位及得到不同相位同步电压的方法，称为触发电路的同步（或定相）。
每个触发电路的同步电压uT与被触发晶闸管阳极电压的相互关系取决于主电路的不同方式，触发电路的类型，负载性质及不同的移相要求。
2.1.2晶闸管的串、并联与保护
1．晶闸管的串联
当单个晶闸管的额定电压小于实际线路要求时，可以用两个以上同型号元件相串联来满足，如图2-19所示。
a）元件承受的反向电压b）串联均压电路
图2-19晶闸管的串联
由于元件特性的分散性，当两个同型号晶闸管串联后，在正、反向阻断时虽流过相同的漏电流，但各元件所承受的电压却是不相等的。
图2-19a）表示了两反向阻断特性不同的晶闸管流过同一漏电流Ie时，元件上承受的电压相差甚远的情况，承受高电压的元件有可能因超过额定电压而损坏。
为了使各元件上的电压分配均匀，除选用特性比较一致的元件进行串联以外，应采取均压措施。
2．晶闸管的并联
单个晶闸管的额定电流不能满足要求时，可以用两个以上同型号元件并联。
由于并联各晶闸管在导通状态下的伏安特性不可能完全一致，相同管压降下各元件负担的电流不相同，可能相差很大，如图2-20a）所示。
为了均衡并联晶闸管元件的电流，除选用正向特性一致的元件外，应采用均流措施。
a）并联时的电流分配b）串电感均流
图2-20晶闸管的并联
3．过压保护
晶闸管元件有很多的优点，但由于击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因此承受过电压过电流能力差，短时间的过电压、过电流都可能造成元件损坏。
为了使晶闸管元件能正常工作而不损坏，除合理选择元件外，还必须针对过电压、过电流发生的原因采取适当的保护措施。
凡超过晶闸管正常工作时所承受的最大峰值电压的电压均为过电压。
过电压根据产生的原因可分为二大类：
①操作过电压：
由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁过程引起的过电压；②浪涌过电压：
由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置的过电压，其幅度可能比操作过电压还高。
对过电压进行保护的原则是：
使操作过电压限制在晶闸管额定电压UR以下，使浪涌过电压限制在晶闸管的断态和反向不重复峰值电压UDSM和URSM以下。
一个晶闸管变流装置或系统应采取过电压保护措施的部位可分为交流侧，直流侧，整流主电路等几部分，如图2-21所示。
图2-21晶闸管装置可能采用的过电压保护措施
4．过电流保护
当变流装置内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障，外部出现负载过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起装置其他元件的电流超过正常工作电流。
由于晶闸管等功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此必须对变流装置进行适当的过电流保护。
图2-26晶闸管装置可能采用的过电流保护措施
A—交流进线电抗器；B—电流检测和过流继电器；
C、D、E—快速熔断器；F—过流继电器；G—直流快速开关
晶闸管变流装置可能采用的几种过电流保护措施如图2-26所示。
2.2电流型自关断器件的驱动
2.2.1门极可关断晶闸管的驱动
基本要求
门极可关断晶闸管（GTO）可以用正门极电流开通和负门极电流关断。
在工作机理上，开通时与一般晶闸管基本相同，关断时则完全不一样。
因此需要具有特殊的门极关断功能的门极驱动电路。
理想的门极驱动电流波形如图2-29所示，驱动电流波形的上升沿陡度、波形的宽度和幅度、及下降沿的陡度等对GTO的特性有很大影响。
GTO门极驱动电路包括门极开通电路、门极关断电路和门极反偏电路。
对GTO而言，门极控制的关键是关断。
（1）门极开通电路
GTO的门极触发特性与普通晶闸管基本相同，驱动电路设计也基本一致。
要求门极开通控制电流信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓的脉冲波形。
脉冲前沿陡有利于GTO的快速导通，一般dIGF/dt为5～10A/μs；脉冲幅度高可实现强触发，有利于缩短开通时间，减少开通损耗；脉冲有足够的宽度则可保证阳极电流可靠建立；后沿缓一些可防止产生振荡。
（2）门极关断电路
已导通的GTO用门极反向电流来关断，反向门极电流波形对GTO的安全运行有很大影响。
要求关断控制电流波形为前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓。
一般关断脉冲电流的上升率dIGR/dt取10～50A/μs，这样可缩短关断时间，减少关断损耗，但dIGR/dt过大时会使关断增益下降，通常的关断增益为3～5，可见关断脉冲电流要达到阳极电流的1/5～1/3，才能将GTO关断。
当关断增益保持不变，增加关断控制电流幅值可提高GTO的阳极可关断能力。
关断脉冲的宽度一般为120μs左右。
图2-29理想的GTO门极驱动电流波形
（3）门极反偏电路
由于结构原因，GTO与普通晶闸管相比承受du/dt的能力较差，如阳极电压上升率较高时可能会引起误触发。
为此可设置反偏电路，在GTO正向阻断期间于门极上施加负偏压，从而提高电压上升率du/dt的能力。
2.2.2大功率晶体管的驱动
1．基本要求
GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控制信号电流放大到足以保证大功率晶体管能可靠开通或关断。
而GTR的基极驱动方式直接影响它的工作状况，可使某些特性参数得到改善或受到损害，故应根据主电路的需要正确选择、设计基极驱动电路。
基极驱动电路一般应有以下基本要求：
1）GTR导通期间，管子的管压降应在准饱和工作状态下尽可能小，基极电流Ib能自动调节以适应负载电流的变化，保证GTR随时处于准饱和工作状态；GTR关断时，基极能迅速加上足够大的基极反偏电压。
这样可保证GTR能快速开关。
2）基极驱动电路应与逻辑电路、控制电路在电气上隔离，通常采用光电隔离或变压器隔离等方式来实现。
3）基极驱动电路应有足够的保护功能，防止GTR过流或进入放大区工作。
图2-32理想的基极电流波形及集电极电流波形
理想的基极电流波形如图2-32所示。
正向基极驱动电流的前沿要陡，即上升率dib/dt要高，目的是缩短开通时间，初始基极电流幅值Ibm＞Ib1，以便使GTR能迅速饱和，减少开通时间，使上升时间tr下降，降低开关损耗。
当GTR导通后，基极电流应及时减少到Ib1，恰好维持GTR处于准饱和状态，使基区和集电区间的存储电荷较少，从而使GTR在关断时，储存时间ts缩短，开关安全区扩大。
在关断时，GTR应加足够大的负基极电流Ib2，使基区存储电荷尽快释放，从而使存储时间ts和下降时间tf缩短，减少关断损耗。
在上述理想的基极电流作用下，可使GTR快速可靠开通、关断，开关损耗下降，防止二次击穿并可扩大安全工作区。
在GTR正向阻断期间，可在基极和发射极间加一定的负偏压，以提高GTR的阻断能力。
2．贝克钳位电路
当GTR导通后，基极驱动电路应能提供足够大的基极电流使GTR处于饱和或准饱和状态，以便降低通态损耗保证GTR的安全。
而基极电流过大会使GTR的饱和度加深，饱和压降小，导通损耗也小。
但深度饱和对GTR的关断特性不利，使存储时间加长，限制了GTR的开关频率。
因此在开关频率较高的场合，不希望GTR处于深度饱和状态，而要求GTR处于准饱和状态。
图2-33贝克钳位电路
抗饱和电路即为一种不使GTR进入深度饱和状态下工作的电路，图2-33所示的贝克钳位电路即为一种抗饱和电路。
利用此电路再配以固定的反向基极电流或固定的基极发射极反向偏压，即可获得较为满意的驱动效果。
当GTR导通时，只要钳位二极管VD1处于正偏状态，就有下述关系
从而有
如二极管导通压降UD=0.7V，则Uce=1.4V使GTR处于准饱和状态。
钳位二极管VD1相当于溢流阀的作用，使过量的基极驱动电流不流入基极。
改变VD2支路中串联的电位补偿二极管的数目可以改变电路的性能。
如集电极电流很大时，由于集电极内部电阻两端压降增大会使GTR处于深度饱和状态下工作，在此情况下，可适当增加VD2支路的二极管数目。
为满足GTR关断时需要的反向截止偏置，图中反并联了二极管VD4，使反向偏置有通路。
电路中VD1应选择快速恢复二极管，因VD1恢复期间，电流能从集电极流向基极而使GTR误导通。
VD2、VD3应选择快速二极管，它们的导通速度会影响GTR基极电流上升率。
2.3电压型自关断器件的驱动
2.3.1功率场效应晶体管的驱动
基本要求
功率场效应晶体管（P-MOSFET）是电压型控制器件，没有少数载流子的存贮效应，因此可以做成高速开关。
由于P-MOSFET的输入阻抗很大，故驱动电路可做得很简单，且驱动功率也小。
P-MOSFET各极间有分布电容，元件在开关过程中要对电容进行充放电，因此在动态驱动时还需一定的栅极驱动功率。
按驱动电路与P-MOSFET栅极的连接方式可分为直接驱动和隔离驱动，隔离驱动常采用脉冲变压器或光耦器件进行隔离。
2.3.2绝缘栅双极型晶体管的驱动
基本要求
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是具有P-MOSFET的高速开关和电压驱动特性及双极型晶体管的低饱和电压特性的电力半导体器件。
由于IGBT具有与P-MOSFET相似的输入特性，输入阻抗高，因此驱动电路相对比较简单，驱动功率也比较小。
IGBT驱动电路有以下基本要求：
1）充分陡的脉冲上升沿和下降沿在IGBT开通时，前沿很陡的门极电压加到栅极和发射极间，可使IGBT快速开通，从而减小了开通损耗；在IGBT关断时，驱动电路提供下降沿很陡的关断电压，并在栅极和发射极之间加一适当的反向偏压，使IGBT快速关断，缩短关断时间减小关断损耗。
2）足够大的驱动功率IGBT导通后，驱动电路的驱动电压和电流要有足够的幅值，使IGBT功率输出级总处于饱和状态。
当IGBT瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。
3）合适的正向驱动电压UGE当正向驱动电压UGE增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降UCE和开通损耗值将下降；但在负载短路过程中，IGBT的集电极电流也随UGE增加而增加，并使IGBT承受短路损坏的脉宽变窄，因此UGE要选合适的值，一般可取（1±10%）15V。
4）合适的反偏压IGBT关断时，栅极和发射极间加反偏压可使IGBT快速关断，但反偏压数值也不能过高，否则会造成栅射极反向击穿。
反偏压的一般范围为-2V～-10V。
5）驱动电路最好与控制电路在电位上隔离。
要求驱动电路有完整的保护功能，抗干扰性能好，驱动电路到IGBT模块的引线尽可能短，最好小于1米，且采用绞线或同轴电缆屏蔽线，以免引起干扰。
2.4自关断器件的保护
2.4.1大功率晶体管的保护
1．过流保护
GTR承受电流冲击的能力很弱，使用快速熔断器作为过流保护无任何意义，因为GTR可能先行烧毁。
此时只能用电子开关的快速动作进行过流保护，其原则是在集电极电流未达破坏元件之值前就撤去基极驱动信号，同时施加反向偏置使晶体管截止。
图2-48为GTR的输出特性（伏安特性），其上可划分出饱和区、准（临界）饱和区、线性放大区及截止区。
在饱和区，GTR的通态损耗最小，但这种状态不利于器件迅速关闭切换至截止区。
为此，可通过减小和控制正向基极偏置使GTR处于饱和状态的边缘，即准饱和状态，此时其通态损耗比饱和状态下稍高、但大大低于线性放大状态。
因此，工作在开关状态的GTR其负载极限工作点应通过基极电流Ib调整在准饱和区，如A点（Uceg，Icg）。
图2-48GTR输出特性图2-49GTR过流保护原理图
由于GTR的通态压降Uce与元件工作点直接有关，故可采用Uce作为过载特征参数，实行有效的过流保护。
图2-49为其原理性电路图。
2．缓冲电路
在图2-50所示的电感负载下，为抑制GTR关断时产生的负载自感过电压，电感L两端常并接续流二极管VDF，使GTR关断时有负载电流IL经它续流。
无论在开还是关的过程，GTR都要经历电压、电流同时很大的一段时间，造成开关损耗p很大，如图2-51所示，这就限制了器件的工作频率。
为此，需采用缓冲电路来解决开关损耗过大问题，其基本思想是错开高电压、大电流出现的时刻，使两者之积（瞬时功率）减小。
图2-50GTR带电感性负载图 图2-51GTR的关断、开通过程
图2-52为GTR关断吸收电路，它是在GTR集射极间并联电容C，利用电容两端电压不能突变的原理延缓关断时集射极间电压Uce上升速度，使Uce达最大值之前集电极电流Ic已变小，从而使关断过程瞬时功耗p变小，如图2-52b）所示。
图a）中串联电阻是为了限制GTR导通时电容的放电电流，二极管VD则是在GTR关断时将R旁路，以充分利用电容的稳压作用。
图2-52GTR的关断吸收电路
a）原理电路；b）原理曲线
图2-53a）是开通吸收电路，其中与GTR串联的电感LS延缓了集电极电流的增长速度，且当电流急剧增大时会在其上产生较大压降，使得集射极电压在导通时迅速下降。
这样电压、电流出现最大值的时间错开，关断时功率损耗p明显减少，如图2-53b）所示。
图a）中与LS并联电阻可使GTR关断后续流电流迅速衰减，二极管则在GTR导通时隔离RS对LS的旁路作用。
a）原理电路b）原理曲线
图2-53GTR的开通吸收电路
在实用中常将开通与关断吸收电路组合在一起构成复合吸收电路，图2-54为其中一种。
图中LS、RS、VD组成开通吸收电路，RS、VD、CS组成关断吸收电路。
图2-54GTR复合缓冲电路图2-55IGBT缓冲电路
2.4.2绝缘栅双极型晶体管的保护
IGBT的保护措施有：
1）通过检测过电流信号来切断栅极控制信号，关断器件，实现过流保护。
2）采用吸收电路抑制过电压、限制过大的重加电压上升率dUce/dt。
3）用温度传感器检测IGBT的壳温，过热时使主电路跳闸保护。
IGBT使用中必须避免出现擎住现象。
本章小结
本章主要介绍了各种功率半导体器件的驱动电路及其过压、过流等保护方法。
晶闸管（SCR）是半控型器件。
SCR的触发电路应满足与主电路同步、能平稳移相且有足够移相范围、脉冲前沿陡、有足够的幅值与脉宽、抗干扰能力强等要求。
单结晶体管触发电路简单实用，在单相整流电路中得到应用。
锯齿波同步移相触发电路是使用较多的SCR触发电路，它主要有同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。
集成化的锯齿波同步移相触发电路有KC（或KJ）系列。
目前，以单片机为主体的数字化触发电路在大功率整流电路中得到越来越广泛的应用。
晶闸管的过压保护主要使用压敏电阻、阻容吸收等，过流保护则采用电流检测、快速熔断器等，另外还应对du/dt、di/dt进行限制。
大功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GTO）属电流型自关断器件。
GTO的驱动电路中的门极开通电路与SCR触发电路基本相同，而要求门极关断电路能产生足够大的反向电流来关断已导通的GTO。
GTR驱动电路除满足一般驱动电路的要求外，还应有抗饱和电路，使GTR工作在准饱和区，提高开关速度，降低开关损耗。
功率场效应晶体管（P-MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）都属电压型自关断器件。
由于电压型器件输出阻抗高，驱动电流小，因此驱动电路相对比较简单。
目前，有许多专用芯片用来驱动自关断器件，如UAA4002、IR2110、EXB840等，这些芯片集成化程度高、保护功能好、抗干扰能力强，使用日趋广泛。
自关断器件的过流保护通常采用检测Uce，利用电子开关的快速动作来及时关断器件。
缓冲电路的使用可对由于自关断器件的开关而引起过电压、过电流、过大的di/dt、du/dt及过大的瞬时功率进行保护。
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