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。
|
楼主
标题置顶
标题高亮
