电力电子开关器件的辅助电路

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2. 触发电路的类型 晶闸管门极触发电路有移相控制和垂直控制两种方法： 移相控制——通过改变控制脉冲产生的时间来改变晶闸管 的导通角。 垂直控制——将移相信号和控制信号叠加，通过改变控制信 号的大小来改变晶闸管导通角。 触发电路中触发脉冲可以用模拟电路或数字电路来产生，目 前应用广泛的： 专用集成触发电路——模拟式触发电路的单片集成，具有 移相线性度好，性能稳定可靠，体积小，温漂小等优点。
第2章 电力电子开关器件的辅助电路
要保证用于电力系统或电力设备主电路中的各种开关器
件在工作过程中的安全和可靠，必须针对器件的不同性能和
容量设计相应的辅助电路。包括：驱动电路、缓冲电路和保
护电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在
较理想的开关状态，减少开关损耗，提高器件工作可靠性。
本章还介绍了电力电子开关器件的串并联技术和散热技
目前多用单片机系统设计，原理如图。
同步电压 UT
相位同步 输入电路
移相控制电压
UK
控制信号
UP
输入电路
偏移电压
单 片 机 系 统 89C51
隔离电路
触发脉冲功放
SCR1 G—K极
隔离电路
触发脉冲功放
SCRn G—K极
2.1.2 门极可关断晶闸管门极驱动电路（电流驱动型）
GTO的开通控制与普通晶闸管相似。
2. GTO门极驱动类型
IGF U GF
10 ~ 60s
t IGR
直接驱动——将驱动级的 功率放大电路与GTO门极 直接相连，信号通过光耦或
其它隔离器件送入驱动电路，
实现GTO主电路和控制电路的电隔离。
U GR
IGRM 30 s
优点：输出驱动脉冲参数调整方便，脉冲波形好，不易产生
门极振荡。
缺点：驱动电路必须有独立的与控制系统隔离的工作电源， 功率放大元件电流大，功耗大，效率低。
R1
VD1 VS1 C1
T1 VD2 VD3
开通 V1
GTO RG1
RG2
R2
T2
VD4
C2
关断 V2
VT R3
12
GTR开通时
IB
——基极驱动电流前沿的短时
过冲，对加速开通有利，但导
通后应使其工作于准饱和状态， O
t
以减少关断时载流子的复合时间。
关断时
——提供瞬时的反向基极电流能加速关断过程。关断后，发 射结维持一定的负偏压可以防止噪声信号引起的误触发，提 高GTR的du/dt耐量。
护、电源电压监测以及过热保护等多种保护功能。
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例如法国THOMSON公司的UAA4002
U CC 14
RT
RSD
7
11
U CE 13
VCC检测
tomin
-+
5 E
SE 4
输入接口 V—检测
6 R
逻辑处理单元
推迟
3
10
INH RD
tomax 8
CT
+-
+
-
0.2V
9 GND
15 U
16 I B1
1 IB2 U
（2）GTO门极驱动信号波形 IGF为开通驱动门极正向直流电流，IGRM为关断驱动门极反向
最大电流。
门极开通信号电流波形和门极关断信号电流波形均要求前 沿较陡、幅度较高、宽度要够、后沿要缓。
9
门极关断电流信号脉冲 电流的幅度较大，IGRM一般 为(1/3-1/5)IATO，与GTO关 断增益有关。
列直插式塑封芯片。
与锯齿波同步触发 电路相似，由同步单
正弦波 同步电压
UT
15V 16
元、锯齿波形成单元、R1
移相控制单元
移相单元、脉冲形成
单元和功率放大单元 R2
8
组成。 C1
由一个KJ04构成的 触发电路可输出两个
同步单元
7 5
相位差180°的触发 脉冲，用来控制晶闸
R3 15V
R4
管变流装置的上下各一只晶闸管。
2. 基极驱动电路的设计原则
为使GTR开通时工作在饱和状态，其基极驱动电流IB与 集电极最大电流ICmax满足以下关系：
IB
IC max
wk.baidu.com
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3. GTR基极驱动电路
GTR基极驱动电路种类很多，有直接驱动、光耦或脉冲变 压器隔离后间接驱动两类。
按驱动电路构成形式可分为分立元件驱动电路、混合微 膜组件驱动电路和专用集成驱动电路。
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当驱动信号为低电平时，比较器输出高电平使V2导通，V1 截止，栅极电容经驱动电阻RG和二极管对-UCC放电，使功率 MOSFET阻断。 功率MOSFET栅极并联电阻R可以提高管子du/dt耐量，驱 动信号引出线应尽量短，并采用双绞线方式。
（2）集成驱动器M57918L
2
5
M57918L 5V
1 2 56 7 8
C3
R9
11 12 脉冲形成单元
锯齿波发生器
3
4
R5
C2 R6
15V
功率 1 放大 单元
功率 放大 单元 15 9 13 14 R7
UP UK R8
5
KC04工作各点波形
UT
O
t
UT1
O
U4
t
O
U9
t
O t
U11
O
U12
t
O t
U1
O
U15
t
O t
在UT和-15V电源作用下同步单元产生同 步脉冲。
GTO关断控制需施加负门极电流。
8
GTO的门极驱动技术关键在于关断。
1. GTO门极驱动特性
A
（1）GTO门极驱动电路结构
门极开通电路
GTO开通时，内部有正反馈过
G
程，开通驱动功率较小；
门极关断电路
在关断时，由于关断增益小，门
极关断负电流较大，关断电路
门极反偏电路
K
功率很大；
门极反偏电路为门极提供反偏电压，能起到抗干扰，保 证GTO可靠阻断，提高其静态du/dt耐量的作用。
2. 功率MOSFET栅极驱动电流估算
设功率MOSFET栅源极间电容CGS，栅漏极间电容CGD，器件 饱和导通时栅源电压uGS，器件阻断时漏极电压uDS 。
要求器件开通时间为ts时，则开通驱动电流为：IG(on)
(CGS
CGD ts
)uGS
要求器件关断时间t’s为时，则关断驱动电流为：
I G ( off
驱动信号低电平时 V1、V2截止，V3经R7、-UCC导通，将发射结反偏，提供反向 驱动电流使GTR迅速截止。
图中VD1、VD2、VD3构成抗饱和电路，当GTR集电极电压 低时，VD1导通，分走部分基极电流，使GTR工作在临界饱 和状态。
（2）集成基极驱动电路
集成基极驱动电路不但驱动电流波形好，而且还有过流保
间接驱动——将驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连。
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优点：不需要独立的电源，利用脉冲变压器的阻抗配合， 减小驱动电路中功放元件的电流，同时脉冲变压器还能使 GTO主电路与门极控制电路电隔离。 缺点：门极脉冲波形前沿陡度差，前后沿有电压、电流 寄生振荡，造成GTO开通、关断不可靠。 3. GTO门极驱动电路实例
10V
Ud
R6
负载
5V
C1
R5
VD1
R1
V1
R2
9 10 11 12 13 14 15 16 UAA4002
87654321
R3
R4
RB
R
GTR
VD2 C
分流器
5V
2.1.4 电力场效应晶体管栅极驱动电路（电压驱动型）
功率MOSFET为单极型电压控制器件，输入阻抗很高。 驱动只需适当的电压信号，驱动电流很小，因此驱动电路 简单，功耗很低。
MOSFET
6
RG
C1
VS1
VS2
7
10mA
ui
~ 220V
8
C2
1
(a) M57918L内部结构
(b) M57918L应用电路
)
CGDuDS ts
3. 功率MOSFET栅极驱动电路
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按驱动电路和器件连接方式分为直接驱动和间接驱动两类。
按驱动电路构成有分立元件驱动电路和集成驱动电路。 （1）双电源光耦隔离直接驱动电路
U
U CC
V1 RG
MOSFET
V2 R
U CC
驱动信号高电平经光耦后传入直接驱动电路，通过比较器 整形输出低电平，则V2截止，V1导通，+UCC经栅极驱动电阻 RG对功率MOSFET栅极电容充电，使其导通。
数字式触发电路——将数字逻辑电路和微处理器用于产生 移相触发脉冲，其硬件电路大大简化，触发脉冲一致性好， 触发角的分辨率高，并可提高触发器的灵活性和稳定性。
4
3. 集成化触发电路
集成化触发器体积小、性能好、功耗低、可靠性高，目 前国内常用的有KC 和KJ两个系列。
例如，KC04集成触发器为16脚双
2 IC
12
UAA4002内部以逻辑处理器为核心，输入接口通过SE端设置， 可以接收电平和脉冲两种信号。
输出接口可以提供+0.5A和-3A的驱动电流，该电流可通过外 接二极管检测实现自动调节，还可根据需要外接晶体管扩大 输出能力。
该芯片保护功能强大，包括集电极电流过流保护、抗饱和、 导通时间间隔控制、电源电压监测、延时功能和热保护功能16。
UT1低电平作为同步电压的过零标志。 锯齿波发生单元由内部三极管和外部R4、 R5、C2和-15V电源组成，在同步脉冲作用 下，产生锯齿波电压U4。 锯齿波电压经4脚输出，通过电阻R6、R7、 R8和外接的偏移电压UP、移相控制电压UK 叠加后由9脚送入移相控制单元。
外接阻容元件R9、C3与内部三极管组成 脉冲形成单元电路，产生一个宽度固定的
图为脉冲变压器隔离的GTO门极间接驱动开通关断电路。 开通控制电路在开通触发信号作用下使晶体管V1导通，在
脉冲变压器T1副边产生感应电压，经VD2二极管和门极串联电 阻RG1触发GTO导通。
在关断信号作用下，V2导通，在脉冲变压器T2副边产生 反向的感应电压，触发晶闸管VT导通，给GTO门极施加反向 电压，强迫GTO关断。
术，这些辅助技术手段对设备的运行安全、运行效率和可靠
性都有着重要的意义。
教学要求：
1.掌握各种电力电子开关器件的相关辅助电路设计方法；
2.了解电力电子开关器件的串并联技术；
3.掌握功率器件散热设计方法。
1
2.1 电力电子开关器件的驱动电路
驱动电路——主电路与控制电路之间的接口。 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，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。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动 电路实现。 按照驱动信号的性质分为电流驱动型和电压驱动型。
U R2
R1 V
U CC
抗饱和
R3 R6
R8
C2
R5
V1
V2
C1 R4
V3 R7
VD1 VD2
VD3
GTR RB
U CC
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（1）GTR基极隔离驱动电路
驱动信号经光耦隔离后送入功率放大驱动电路，功放采 用推拉式互补输出。
当驱动信号高电平时 光耦导通，正电源+UCC经R3、R5使V1、V2导通，经R8、V2为 GTR提供正向基极电流，使GTR导通。
1. 晶闸管触发电路的基本要求
（1）触发信号通常采用脉冲信号。 （2）触发脉冲要有足够的触发功率。 （3）触发脉冲的移相范围要满足变流装置的要求。一般移相 范围≤180°。 （4）触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲前沿陡度大 于10V/μs或800mA/μs。 （5）触发脉冲与主电路电源电压保持同步。
1. 功率MOSFET栅极驱动设计原则
栅极开通关断的动态过程中需要提供足够的驱动电流； 17
应按其容量大小选择驱动电路输出电阻； 为了使功率MOSFET可靠饱和导通，驱动脉冲电压应 高于管子的开启电压，并在导通过程中保持高电压； 为了防止误导通，提高du/dt耐量，在管子截止时最 好能提供负的栅源电压。
移相脉冲，其脉冲宽度由时间常数R9C3决 定。
功率放大单元实现脉冲分选并进行功率
放大，在器件的1脚和15脚输出相位差
180o的两个驱动脉冲。
6
在多数晶闸管变流装置中，所产生的脉冲要经光耦或 变压器隔离后加到晶闸管门极和阴极之间。
U
R12 R11
U CC
R22 R21
SCR RG1
RG2
SCR
U CC
驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提 供关断控制信号。
2
2.1.1 晶闸管的门极驱动电路（电流驱动型）
SCR导通必须的外界条件：阳极加正向电压，门极加 正触发信号。当SCR导通后，门极控制信号不再起作用， 直到阳极电压减小或反向后，阳极电流小于维持电流， 晶闸管才自行关断。因此，晶闸管的门极驱动电路又称 为触发电路。
VD2
RG1
VD1 VS1
RG2 VD3
R11 R12
(a)光耦隔离驱动电路
(b)脉冲变压器隔离驱动电路
图(a)为输入信号经光耦隔离后的驱动电路，光耦两侧 为相互隔离的电源。图(b)为脉冲变压器隔离驱动电路，它 不但有隔离作用，也能实现阻抗的匹配。
7
4. 数字式触发电路 ——以数字逻辑电路或微处理器为核心的触发脉冲产生电 路。
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2.1.3 电力晶体管 基极驱动电路
（电流驱动全控型） +
基极驱动电路对 器件工作时集电极电 VCC 压上升率du/dt、集 电极电流上升率di/dt、 饱和压降和开关损耗 等有着直接影响。
过驱动可以降低饱和 压降，减小开通损耗， 但对关断不利，使关 断时间延长，损耗增大。
1. 理想基极电流波形