变频电源驱动电路中GTR晶体管的驱动及保护电路

    作为变频电源逆变电路中的核心部件——大功率开关器件，一般分为三大类型，即双极型、单极型和混合型。双极型有GTO、GIR、SITH等；单极型有功率MOSFET、SIT等；混合型有IG-BT、MGT（MOS门极晶体管）等。这些大功率器件的运行状态及安全性直接决定了变频电源和逆变器性能的优劣，而性能良好的驱动电路又是开关器件安全可靠运行的重要保障。    大功率晶体管(GiantTransistoI- GTR)也称巨型晶体管，是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管，它具有自关断能力，控制十分方便，并有饱和压降低和比较宽的安全工作区等优点，在许多变流器中得到了应用。    在电子变流器中，GTR主要工作在开关状态。G1R是一种电流控制型器件，即在其基极注入电流IR后，集电极便能得到放大了的电流Ic，电流放大倍数为hFE。对于工作在开关状态的GTR，关键的技术参数是反向耐压UCE和正向导通电流Ic。由于GIR不是理想的开关，当饱和导通时，有管压降UCES，关断时有漏电流ICEO；加之开关转换过程中具有开通时间ton（含延迟时间td和上升时间tr），关断时间toff（含存贮时间fs和下降时间tf），因此使用GIR时，对其集电极功耗Pc与结温Tjm也应给予足够的重视。    1．基极驱动电路设计原则    GIR基极驱动电路和性能直接影响着GTR的工作状况，因此在设计基极驱动电路时应考虑以下两点：    (1)最优化驱动。所谓最优化驱动就是以理想的基极驱动电流波形去控制GIR的开关过程，以便提高开关速度，减小开关损耗。理想的基极驱动电流波形如图3-1所示。由图3-1可以看出，为加快开通时间和降低开通损耗，正向基极电流在开通初期不但要求有陡峭的前沿，而且要求有一定时间的过驱动电流IB1。导通阶段的基极驱动电流IB2应使GIR恰好维持在准饱和状态，以便缩短存储时间ts。一般情况下，过驱动电流IB1的数值选为准饱和基极驱动电流值IB2的3倍左右，过驱动电流波形前沿应控制在0.5μs以内，其宽度控制在2μs左右。关断GTR时，反向基极驱动电流IR3应大一些，以便加快基区中载流子的抽走速度，缩短关断时间，减小关断损耗。实际应用中，常选IB3=IB1或更大一些这种基极驱动波形一般由加速电路和贝克钳位电路来实现。
    图3-1    理想的基极驱动电流波形    (2)自保护功能。GIR的驱动电路还应有自保护功能，以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号，以避免GTR的损坏。保护电路的类型有多种，根据器件及电路的不同要求可进行适当的选择。为了提高开关速度，可采用抗饱和保护电路；要保证开关电路自身功耗低，可采用退饱和保护电路；要防止基极欠驱动导致器件过载状态，可采用电源电压监控保护。此外，还有脉冲宽度限制电路以及防止GIR损坏的过压、过流、过热等保护电路。    构成基极驱动电路构成形式很多，归结起来有三个明显的趋势：    1)为了提高工作速度，都以抗饱和贝克钳位电路作为基本电路。    2)不断完善和扩大自动保护功能。    3)在开通和关断速度方面不断加以改进和完善。    2．基极驱动电路    (1)电路组成和功能。图3-2是一种实用高效自保护基极驱动电路，它不但能维持GIR工作在准饱和状态，而且可以对GTR的过载提供快速可靠的保护，防止GTR进入放大区。另外可以改善GTR的开关特性、缩短开关时间、降低驱动功率、提高驱动效率。它主要由信号隔离电路、退饱和检测电路、控制信号综合电路和具有反偏压的自适应输出电路组成。
    图3-2    基极驱动电路    信号隔离电路由光电耦合器BD构成，实现逻辑控制电路与驱动电路之间的电气隔离；退饱和检测电路由二极管VD6和电压比较器A1组成。当GIR的集一射极电压UCE高于某一规定值时，电压比较器A1输出过载保护信号。控制信号的综合电路由三极管VT1构成。其功能是将正常的开关驱动信号与退饱和禁止信号叠加处理后送至输出级。具有反偏压的自适应输出驱动级由三极管VT3、VT4，二极管VD7、VD8、VD9，电容器C2等元器件组成，它的功能是提高开关速度和产生反偏压驱动波形。    (2)驱动电路的工作原理。当输入信号Ui为高电平时，光耦截止，B点近似等于电源电压，A点为R3与R5的分压电平，则UB>UA，电压比较器输出端C为低电平，三极管VT1截止，VT2导通，VT3、VT4戳止，从而GIR截止。    当输入信号Ui由高电平变为低电平时，光耦输出由截止变为导通。C1经R8、VD3进行充电，利用电容二端的电压不能突变的特点，VT2的基极电位也变为零，VT2截止，VT3、VT4导通，经过加速网络C2、R12，使GTR迅速饱和导通。当GTR导通后，它的UCE随之下降，VD7导通，使B点的电位钳位于UB=UCE<UA，电压比较器A1输出端C变为高电平，使VT1导通，VT2的基极电位维持在地电位上；维持VT2截止，VT3、VT4导通。同时VT1的导通给C1提供了放电回路，使电容C1的两端电压下降为零，为下次工作做准备。    当Ui由低电平变为高电平时，光耦输出级由导通变为截止，使VD1导通，VD2截止，重新使UB>UA，C点输出低电平，VT1截止，VT2,导通，由C2、VT5、VD10、VD4等组成的反偏电路使GIR迅速关断，VD7同时截止。下一周期将重复上述工作过程。    带有反偏驱动电路的工作原理如下：当VT4导通时，GTR也导通。通过加速电容C2的比较大的充电电流向GTR基极提供过驱动电流，最大电流仅受R11阻值限制。充电结束后，进入导通阶段，GTR的基极电流由R11、R12和VD8共同决定；此时C2充有左正右负的电压。当VT4关断VT5导通时，电容C2经VT5的C-E结→VD4→VD10→C2放电。GTR的反偏电压等于VD10的导通压降，约为0.7V左右，使GTR迅速截止。    (3)保护电路工作原理。在正常工作过程中，由于VD7导通，使UB=UCE。若GTR发生过载或其他原因退出饱和状态，使UCE上升到UB=UCE>UA时，C点输出低电平，VT1截止，VT2导通，由C2、VT5、VD10、VD4等组成的反偏电路使GTR迅速关断，VD7同时截止。    (4)驱动电路器件的技术要求。首先对光电耦合器的要求是高速型光耦。这是因为对于桥式逆变电路，同一桥臂的上下两个互补的控制信号之间应当设置死区时间t△（15~20μs之间），因普通光耦开关时间较长，一般在(4~ 6μs)之间，而后级驱动的延迟时间长达10μs左右，而且可能出现开通与关断时间不等的现象，使正常的死区时间得不到保证。为了能安全可靠地工作，必须选用高速型光耦，并把后级驱动总延迟严格限制在5μs以内。例如图3-2中选用高速型光耦6N137就能满足系统的要求。    其次对光耦的要求是具有较强的抗干扰能力。这是因为在GTR的开关转换过程中，P点的电位是发生跳变的，如图3-3所示。如GTR1导通或VD1续流时，P点与M点等电位；而GTR2导通或VD2续流时，P点又与N点等电位。P点电位的跳变速度由二极管反向恢复时间决定。对于中小功率三相异步电动机变频电源，P点的du/dt将达到每秒数千伏。若光耦抗干扰能力不强。P点电位的跳变将会通过光耦内部寄生电容耦合，在驱动电路中形成干扰脉冲，致使CTR发生误动作而不能正常工作。
    图3-3    GTR主电路驱动电路连接关系图    驱动电路是GIR安全工作的基础，也是保证变频电源可靠运行的一个重要环节。而采用UAA4002专用模块驱动电路，可使GTR的工作更加安全可靠。