大功率开关管驱动的若干问题的探讨

发表于 2015-10-31 21:17

　　摘要：本文通过分析晶闸管和 IGBT 对驱动信号的不同要求，提出了满足两种不同驱动信号要求的驱动电路，并且对设计电路进行了仿真和实验，验证驱动信号的可行性。另外，本文对设计过程中遇到的问题，提出了解决方案。
　　关键词：晶闸管,IGBT,IGBT驱动,IGBT驱动电路
　　1.引言
　　功率开关器件在电力电子设备中占据着核心位置，它的可靠工作是整个装置正常运行的基本条件。功率开关器件的驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要部分。它对整个设备的性能有很大的影响，其作用是将控制回路输出的控制脉冲放大到足以驱动功率开关器件。简而言之，驱动电路的基本任务就是将控制电路传来的信号，转换为加在器件控制端和公共端之间的可以使其导通和关断的信号。
　　同样的器件，采用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。采用性能良好的驱动电路可以使功率开关器件工作在比较理想的开关状态，同时缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要的意义。因此驱动电路的优劣直接影响主电路的性能，驱动电路的合理化设计显得越来越重要。晶闸管体积小，重量轻，效率高，寿命长，使用方便，可以方便的进行整流和逆变，且可以在不改变电路结构的前提下，改变整流或逆变电流的大小。IGBT 是 MOSFET 和 GTR 的复合器件，它具有开关速度快、热稳定性好、驱动功率小和驱动电路简单的特点，又具有通态压降小、耐压高和承受电流大等优点。IGBT 作为主流的功率输出器件，特别是在大功率的场合，已经被广泛的应用于各个领域。一般来说，功率
　　开关器件理想的驱动电路应满足以下要求：
　　(1)功率开关管开通时，驱动电路能够提供快速上升的基极电流，使得开启时有足够的驱动功率，从而减小开通损耗。
　　(2)开关管导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证功率管处于饱和导通状态，保证比较低的导通损耗。为减小存储时间，器件关断前应处于临界饱和状态。
　　(3)关断时，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以迅速的抽出基区的剩余载流子，减小存储时间;
　　并加反偏截止电压，使集电极电流迅速下降以减小下降时间。当然，晶闸管的关断主要还是靠反向阳极压降来完成关断的。
　　目前来说，对于晶闸管的驱动用的比较多的只是通过变压器或者光耦隔离来把低压端与高压端隔开，再通过转换电路来驱动晶闸管的导通。而对于 IGBT来说目前用的较多的是 IGBT 的驱动模块，也有集成了 IGBT、系统自保护、自诊断等各个功能模块的 IPM。
　　本文针对我们所用到的晶闸管，设计实验驱动电路，并进行实验证明了它可以驱动晶闸管。而对于 IGBT的驱动，本文主要介绍了目前主要的几种 IGBT 的驱动方式，以及与它们相对应的驱动电路，并对最常用的光耦隔离的驱动方式进行了仿真实验。
　　2.晶闸管驱动电路的研究
　　一般来说晶闸管的工作情况是：
　　(1)晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。
　　(2)晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
　　(3)晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。
　　(4)晶闸管在导通情况下，当主回路电压(或电流)减小到接近于零时，晶闸管关断。我们选用的是晶闸管是 TYN1025，它的耐压是600 到 1000V，电流最大达到 25A。它所需要的门级驱动电压是 10 到 20V，驱动电流是 4 到 40mA。而它的维持电流是 50mA，擎住电流是 90mA。无论是 DSP 还是 CPLD 所发出的触发信号的幅值只有 5V。首先，先把只有 5V 的幅值转换成 24V，然后通过一个 2：1 的隔离变压器把 24V 的触发信号转换成 12V 的触发信号，同时实现了高低压隔离的功能。
　　2.1 实验电路的设计与分析
　　实验设计总电路图如下图 1 所示首先是升压电路，由于后级的隔离变压器电路中的 MOS 管需要 15V 的触发信号，所以，需要先把幅值 5V 的触发信号转成 15V 的触发信号，实验电路图如下图 2，通过 MC14504 把 5V 的信号，转换成为 15V的信号，然后再通过 CD4050 对输出的 15V 驱动信号整形，实验的波形图如图 3 所示，通道 2 接的是 5V 输入信号，通道 1 接的是输出的 15V 的触发信号。
　　第二部分是隔离变压器电路，实验电路图如图 4所示，该电路的主要功能是：把 15V 的触发信号，转换成为 12V 的触发信号去触发后面的晶闸管的导通，并且做到 15V 的触发信号与后级之间隔离。

　　该电路的工作原理是：由于 MOS 管 IRF640 的驱动电压为 15V，所以，首先是在 J1 处接入 15V 的方波信号，经过电阻 R4 接稳压管 1N4746，使触发电压稳定，也使得触发电压不至于过高，烧坏 MOS 管，然后接到 MOS 管 IRF640(其实这就是个开关管，控制后端的开通和关断) ， MOS 管的工作图如下图 5，通过控制驱动信号的占空比，可以控制 MOS 管的开通和关断时间。当 MOS 管开通时，相当于它的 D 极接地，关断时是断开的，通过后级电路相当于接 24V。而变压器就是通过电压的变化来使右端输出 12V 的信号。变压器右端接一个整流桥，然后从接插件 X1 输出 12V的信号。下图 6 为该实验电路的仿真波形图，为了方便看清，我把 B 通道的正负引脚颠倒，测出图中的电压为负的，不过幅值是正确的。图 7 是该电路的实验波形图，与仿真波形图一样。

　　2.2 实验过程中遇到的问题
　　首先，开始上电时，保险丝突然熔断，后来查电路时发现最初的电路设计有问题。最初为了它的开关管输出的效果更好，把 24V 的地和 15V 的地隔开，这就使得 MOS 管的门极 G 极相当于后面的 S 极是悬空的，导致误触发。解决办法是把 24V 和 15V 的地接在一起，再次进行实验，电路工作正常。电路连接正常，但是当加入驱动信号时，MOS 管发热，加驱动信号一段时间后，保险丝熔断，再加驱动信号时，保险丝直接熔断。检查电路发现，驱动信号的高电平占空比过大，导致 MOS 管的开通时间太长。这个电路的设计使得当 MOS 管开通时，24V 直接加到 MOS 管的两端，并没有加限流电阻，如果导通时间过长就使得电流过大，MOS 管损坏，需要调节信号　的占空比不能太大，一般在 10%~20%左右。

发表于 2015-10-31 21:18

　　2.3 驱动电路的验证
　　为了验证驱动电路的可行性，我们用它来驱动串连在一起的晶闸管电路，实验电路图如下图 8 所示，相互串联的晶闸管再反并联后，接入带有感抗的电路中，电源是 380V 的交流电压源。

　　在这个电路中，晶闸管 Q2、Q8 的触发信号通过G11 和 G12 接入，而 Q5、Q11 的触发信号通过 G21、G22 接入。在驱动信号接到晶闸管门级之前，为了提高晶闸管的抗干扰能力，在晶闸管的门极连接一个电阻和电容。这个电路接电感后，再投入到主电路中。通过控制晶闸管的导通角，来控制大电感投入到主电路的时间，上下电路的触发信号的相角相差半个周期，上路的 G11 和 G12 是一路的触发信号，通过前级的驱动电路中的隔离变压器相互隔离，下路的 G21 和 G22同样也是隔离的同一路信号。实验波形图如图 9 所示，两路的触发信号触发反并联晶闸管电路正反导通，上面的 1 通道接的是整个晶闸管电路的电压，在晶闸管导通时它变为 0，而 2、3 通道接的是晶闸管电路上下路的触发信号，4 通道测得是流过整个晶闸管的电流。
　　2 通道测得有正向的触发信号时，触发上面的晶闸管导通，电流为正;3 通道测得有反向的触发信号时，触发下路的晶闸管导通，电流为负。
　　3.IGBT 驱动电路的研究IGBT 对驱动电路有许多特殊的要求，概括起来有：
　　(1)驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。IGBT 开通时，前沿陡峭的栅极电压加到栅极 G 与发射极 E 之间，使其快速开通，达到开通时间最短，以减小开通损耗。在 IGBT 关断的时候，其栅极驱动电路要提供给 IGBT 下降沿很陡的关断电压，并给IGBT 的栅极 G 与发射极 E 之间施加适当的反向偏置电压，以使 IGBT 快速关断，缩短关断时间，减小关断损耗。
　　(2)IGBT 导通后，栅极驱动电路提供给 IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使 IGBT 的功率输出总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证 IGBT 不退出饱和区而损坏。

　　3) IGBT 的栅极驱动电路提供给 IGBT 的正驱动电压要取合适的值，特别是在有短路工作过程的设备中使用 IGBT 时，其正向驱动电压更应选择所需要的最小值。开关应用的 IGBT 的栅极电压应以10V～15V 为最佳。
　　(4)IGBT 的关断过程中，栅-射极间施加的负偏压有利于 IGBT 的快速关断，但也不宜取的过大，一般取-2V 到 -10V。
　　(5)在大电感负载的情况下，过快的开关反而是有害的，大电感负载在 IGBT 的快速开通和关断时，会产生高频且幅值很高而宽度很窄的尖峰电压 Ldi/dt，该尖峰不易吸收，容易造成器件损坏。
　　(6)由于 IGBT 多用于高压场合，所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。
　　3.1 早期 IGBT 驱动电路介绍早期的 IGBT 栅极驱动电路为分立式的栅极驱动电路如下图所示：图 10 为直接驱动式栅极驱动电路，图 11 为变压器隔离式栅极驱动电路，而图 12 为光耦隔离式栅极驱动电路。

　　3.2 驱动电路现状
　　随着集成技术的发展，目前 IGBT 的栅极驱动电路多采用集成芯片控制。控制方式主要还是三种：
　　(1)直接触发式输入和输出信号之间无电气隔离，如美国Fairchild 公司的 FAN8800(如下图 13) ，Motorola 公司的 MC33153，美国 IR 公司的 IR21xx 系列等，适用于低压中小功率应用场合。
　　(2)变压器隔离驱动
　　输入和输出信号之间采用脉冲变压器隔离，隔离电压等级可达 4000V，有以下 3 种方法。无源方法：用变压器次级的输出直接驱动 IGBT
　　(如下图 14) ，因受伏秒平衡的限制，只适用于占空比变化不大的场合。有源方法：变压器只提供隔离信号，在次级另有整形放大电路来驱动 IGBT，驱动波形较好，但需要单独提供辅助电源。如 CONCEPT 公司的 SCALE 系列驱动器(如下图 15) ，北京落木源公司的 KBl01，SEMIKRON 公司的 SKHIxx 系列驱动器，北京普尔盛公司的 PSHl23 等。

　　自给电源法：脉冲变压器既用于传递驱动能量又用于高频调制解调技术传输逻辑信号，分为调制型自给电源方法和分时技术自给电源，其中调制型自给电源用整流桥来产生所需工作电源，用高频调制解调技术来传递逻辑信号，如 Unitrode 公司的 UC3726/3727芯片对;分时技术自给电源用二极管和电容来产生所需工作电源，北京落木源公司生产的 TX—KC，TX—KD 系列驱动器采用此项技术。

　　3)光电隔离驱动电路
　　输入和输出信号之间采用光电耦合隔离，隔离电压等级一般为 2500V，如 Agilent 公司的 HCPL316J，富士公司 EXB8x 系列，三菱公司的 M579xx 系列(如下图 17) ，日本三社电机公司 GH—03x 系列等。我们对光耦隔离驱动的电路进行了仿真实验，用到的是东芝的 TLP250 驱动芯片，实验原理图如下图18。由于实际中，左边的 TLP250 的 2 引脚接的高电平，而驱动信号是从 3 管脚接入，但是，为了实验方便，再用到信号发生器时，我把它的 3 引脚接地，2引脚接的信号输入，这样就把输入的信号反向了。做实验时，先在右端接入 15V 的电压，实验波形图如下图 20，结果不对，主要是电压输出的幅值不对，本应输出的是高电平是 15V，低电平为-5V，而实验出来的是高电平是 9V，低电平大约为-3V。通过分析是输入电压过低导致的，改变输入电压为 24V，实验波形图如下图 21，输出波形与仿真波形是一样的，达到了预期目的。

　　4.晶闸管与 IGBT 驱动的联系与区别
　　晶闸管和 IGBT 的驱动电路之间有区别也有类似的地方。首先，两者的驱动电路都需要将开关器件与控制电路相互隔离，以免高压电路对控制电路有影响。然后，两者都是通过给门极施加驱动信号，来触发开关器件导通的。所不同的是晶闸管驱动需要的是电流信号，而 IGBT 需要的是电压信号。在开关器件导通以后，晶闸管的门极就失去了控制作用，若要关断晶闸管，则要在晶闸管两端加反向电压;而 IGBT 的关断则只需要在门极加负的驱动电压，来关断 IGBT。

发表于 2015-10-31 21:40

对于晶闸管的驱动用的比较多的只是通过变压器或者光耦隔离来把低压端与高压端隔开，再通过转换电路来驱动晶闸管的导通

发表于 2015-12-16 15:33

对于开关电路而言，驱动的设计非常重要。

发表于 2015-12-16 15:36

看看，原来隔离电压等级这么高啊！！！！！

发表于 2015-12-16 15:39

光电耦合电路，有图吗？求！！！

发表于 2015-12-16 15:45

毁灭2012 发表于 2015-12-16 15:36
看看，原来隔离电压等级这么高啊！！！！！

输入和输出信号之间采用光电耦合隔离，隔离电压等级一般为 2500V，

发表于 2015-12-20 22:38

晶闸管和 IGBT 的驱动电路的异同比价多。

发表于 2015-12-20 22:39

比较习惯使用igbt这个

发表于 2015-12-20 22:39

怎么才使得开启时有足够的驱动功率

发表于 2015-12-20 22:39

怎么选择合适的晶体管

发表于 2015-12-20 22:40

IGBT集成了MOSFET 和 GTR

发表于 2015-12-20 22:41

MOS 管 IRF640 的驱动电压是正选还是方波

发表于 2015-12-20 22:41

有什么情况必须用晶体管。

发表于 2015-12-20 22:41

功率器件的选取还是靠经验。

发表于 2015-12-20 22:41

大功率的界限一般是指多少

发表于 2015-12-20 22:42

图怎么还不显示呢。

发表于 2015-12-20 22:42

这个得根据个人习惯选择应用。

发表于 2015-12-20 22:42

gaochy1126 发表于 2015-10-31 21:18
　　2.3 驱动电路的验证
　　为了验证驱动电路的可行性，我们用它来驱动串连在一起的晶闸管电路，实验电路 ...

光电耦合隔离区分开输入

发表于 2015-12-20 22:43

gaochy1126 发表于 2015-10-31 21:18
　　2.3 驱动电路的验证
　　为了验证驱动电路的可行性，我们用它来驱动串连在一起的晶闸管电路，实验电路 ...

晶闸管和 IGBT 的驱动电路的相通的。

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