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U k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2-14 KC04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u d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u T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I e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U R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U DSM和U RSM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dI GF/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dI GR/dt取10～50A/μs，这样可缩短关断时间，减少关断损耗，但dI GR/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I b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di b/dt 要高，目的是缩短开通时间，初始基极电流幅值I bm＞I b1，以便使GTR能迅速饱和，减少开通时间，使上升时间t r下降，降低开关损耗。

当GTR导通后，基极电流应及时减少到I b1，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t s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I b2，使基区存储电荷尽快释放，从而使存储时间t s和下降时间t f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。