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1、2.1 晶闸管的门极驱动电路,2.1.1 晶闸管的门极驱动(触发)一、对触发电路的要求（1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压；（2）触发脉冲应有足够的功率；（3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿应尽可能陡；（4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。,二、常用的触发脉冲信号,（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于触发要求不高的场合；（c）矩形脉冲；（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性
2、负载的装置；（f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。,三、脉冲电路与晶闸管的连接方式1.直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路。2.光耦合器连接：输入和输出间电隔离，绝缘性能好，抗干 扰能力强。3.脉冲变压器耦合连接：有良好的电气绝缘。,2.1.2 晶闸管的简易触发电路一、几种简易移相触发实用电路,二、单结晶体管触发电路1、单结晶体管,单结晶体管的结构、等效电路、图形符号及外形,2、单结晶体管自激振荡电路,3、单结晶体管同步触发电路,2.1.3 同步信号为锯齿波的触发电路,1、脉冲形成与放大环节脉冲形成环节由V4、V5构成；放大环节由V7、V8组成。控制电压uco加在V4基极上，触发脉冲
3、由脉冲变压器TP二次输出。,当V4的基极电压uco=0时，V4截止。电源+E1经R11供给V5基极电流，使V5饱和导通。所以V5集电极电压接近-E1，V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电源+E1经R9、V5的发射极到-E1对电容C3充电，充满后电容端电压接近2E1，极性如图所示。当uco0.7V时，V4导通。A点电位从+E1突降到1V，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位也突降到-2E1，V5基射极反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1迅速上升到钳位电压2.1V时，使得V7、V8导通，输出触发脉冲。同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电，使V5基极电位逐渐上
4、升。直到V5基极电位ub5-E1，V5又重新导通。这时V5集电极电压立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。,2、锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。,当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为 uC按线性增长，即ub3按线性增长。调节电位器RP2，可以改变C2的恒定充电电流I1C。当V2导通时，因R4很小，所以C2迅速放电，使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿
5、波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定，它们分别通过电阻R6、R7、R8 与V4基极连接。,根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为 所以uh仍为锯齿波，但斜率比ue3低。同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压 为 控制电压uco单独作用在V4基极时的电压 为：所以，仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小；仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。,当V4不导通时，V4的基极b4的波形由 确定。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。产生触发脉冲。
6、改变uco便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。以三相全控桥为例，当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在=90度；当uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应=90度的位置。当uco为0，=90度，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角90度，处于逆变状态。,同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形,3、同步环节同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。,同步是指锯齿波的频率
7、与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，因Q点为零电位，R点为负电位，VD1导通，电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。在负半周的上升段，+E1电源通过R1给电容C1充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，C1放电后又被充电，V2截止。如此循环往复，在一个正弦波周期内，包括截止与导
8、通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。,4、双窄脉冲形成环节 触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60度的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可产生符合要求的双脉冲。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔60度的第二个脉冲是由后一相触发单
9、元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。,在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。,5、强触发环节36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，经R15对C6充电，B点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有R15的电阻，且电容C6的存储能量有限，B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时，VD15导通，B点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲
10、平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。6、脉冲封锁二极管 VD5阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。,2.1.4 集成触发电路,目前国内生产的集成触发器有KJ系列和KC系列，国外生产的有TCA系列，下面简要介绍由KC系列的KC04移相触发器和KC4lC六路双脉冲形成器所组成的三相全控桥集成触发器的工作原理。,1、KC04移相触发器,（1）KC04移相触发器的主要技术指标如下：电源电压：DCl5V，允许波动5%；电源电流：正电流l5mA，负电流8mA；移相范围：(=30V，=l5K)；脉冲宽度：400 s2ms；脉
11、冲幅值：13V；最大输出能力：100mA；正负半周脉冲不均衡：土；环境温度：-。,（2）内部结构,（3）KC04移相触发器的内部线路组成,KC04移相触发器的内部线路是由同步环节、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成及整形放大、脉冲输出等环节组成。同步环节V1V4等组成同步环节，同步电压us经限流电阻R20加到V1、V2的基极。在同步电压正半波us0.7V时，V1导通，V4截止；在同步电压负半波us-0.7V时，V2、V3导通，V4截止；只有在us0.7V时，V4导通。锯齿波形成 V4截止时，C1充电，形成锯齿波的上升段，V4导通时，C1放电，形成锯齿波的下降段，每周期形成两个锯齿波。锯齿波宽度小于
12、180。,移相环节 V6及外接元件组成移相环节，基极信号是锯齿波电压、偏移电压和控制电压的综合。改变V6基极电位，V6导通时刻随之改变，实现脉冲移相。脉冲形成 V7等组成脉冲形成环节，平时V7导通，电容C2充电为左正右负。V6导通时，其集电极电位突然下降，同时引起V7截止。电容C2放电并反充电为左负右正。当V7基极电位Ube70.7V时，V7导通，V7集电极有脉冲输出。V7集电极每周期输出间隔180的两个脉冲。脉冲分选 V8、V12组成脉冲分选环节，脉冲分选保证同步电压正半周V8截止，同步电压负半周V12截止，使得触发电路在一周内有两个相位上相差180的脉冲输出。,KC04移相触发器的管脚分布
13、,KC04移相触发器各脚的波形,KC04移相触发器主要用于单相或三相全控桥式装置。KC系列中还有KC0l，KC09等。KJ00l主要用于单相、三相半控桥等整流电路中的移相触发，可获得宽脉冲。KC09是KC04的改进型，两者可互换，适用于单相、三相全控式整流电路中的移相触发，可输出两路相位差180度的脉冲。它们都具有输出负载能力大、移相性能好以及抗干扰能力强的特点。,2、KC04的一个典型应用电路,3、KC4lC六路双窄脉冲形成器,KC4lC是六路双脉冲形成集成电路KC4lC的输入信号通常是KC04的输出，把三块KC04移相触发器的l脚与15脚产生的6个主脉冲分别接到KC4lC集成块的16脚，经
14、内部集成二极管完成“或”功能，形成双窄脉冲，再由内部6个集成三极管放大，从1015脚输出，还可以在外部设置VlV6晶体管作功率放大，可得到800mA的触发脉冲电流，供触发大电流的晶闸管用。KC4lC不仅具有双窄脉冲形成功能，而且还具有电子开关控制封锁功能，当7脚接地或处于低电位时，内部集成开关管截止，各路正常输出脉冲；当7脚接高电位或悬空时，饱和导通，各路无脉冲输出。,4、KC4lC与KC04组成的双窄脉冲触发电路,2.2 全控型电力电子器件的门极驱动电路2.2.1 GTO的驱动信号和驱动电路,1、对GTO门极驱动信号的要求GTO门极电流电压控制波形分为开通和关断两部分，推荐波形如下图所示。图
15、中实线为 波形，虚线为 波形。,开通时，门极电流脉冲前沿陡度大，一般为510A/S，门极正脉冲电流的幅度比规定的额定直流触发电流应大310倍，正脉冲宽度一般为1060S，而后沿应尽量平缓些。关断时，关断脉冲电流上升率一般为1050A/S。脉冲应具有一定的宽度，关断脉冲电流的幅度一般为(1/81/3)，其后沿也应尽量平缓些。,1、可关断晶闸管的门控电路(1)GTO的门控供电方式,b）单电源方式,（a）单电源方式,（c）双电源方式,（d）脉冲变压器方式,(2)GTO的门控驱动电路实例,2）用P-MOSFET关断GTO的门控电路下图是用P-MOSFET关断GTO的门控电路原理图。,2.2.2 GTR
16、的驱动信号和驱动电路,1、GTR的驱动信号GTR理想的基极电流波形如下图所示。,2、GTR的驱动电路固定反偏互补驱动电路如图示。当ui为高电平时，晶体管V1及V2导通，正电源+VCC经过电阻R3及V2 向GTR提供正向基极电流，使GTR导通。当ui 为低电平时，V1 及V2 截止而V3导通，负电源-VCC 加于GTR的发射结上，GTR迅速关断。,2.2.3 P-MOSFET的驱动信号和驱动电路,1、P-MOSFET对驱动信号的要求（1）触发脉冲要有足够快的上升和下降速度。（2）触发脉冲电压应高于开启电压，但不超过最大触发额定电压BUGS。但也不能过低，否则会使通态电阻增大。（3）驱动电路的输出
17、电阻应较低，以提高P-MOSFET的开关速度。（4）由于栅极输入电容Cin的存在，在开通和关断过程中仍需一定的驱动电流来给Cin充放电，且Cin越大，所需的驱动电流越大。（5）为防止误导通，在P-MOSFET截止时需提供负的栅源电压。（6）驱动电源须并联旁路电容，它不仅能滤除噪声，也可给负载提供瞬时电流，加快MOSFET的开关速度。,2、P-MOSFET的驱动电路,（1）栅极直接驱动电路,栅极直接驱动的电路原理图（a）用一个晶体管直接驱动（b）用推挽电路驱动,(2）隔离式栅极驱动电路根据隔离元件的不同可分为电磁隔离和光电隔离两种。,电磁隔离,光电耦合隔离驱动电路,2.2.4 IGBT的驱动信号
18、和驱动电路,1、IGBT对驱动信号的要求（1）充分陡的脉冲上升沿和下降沿：前沿很陡的栅极电压加到G-E极间，可使IGBT快速开通，减小开通损耗；后沿足够陡的关断电压，并在G-E极间加一适当的反偏压，有助于IGBT快速关断，减少关断损耗。用内阻小的驱动源对G极电容充放电，可以保证UGE有足够陡的前后沿。（2）足够大的驱动功率：IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率及电压、电流幅值，使IGBT总处于饱和状态，不因退出饱和而损坏。（3）合适的正向驱动电压UGE：在有短路过程的设备中，建议选用UGE=15Vl0%。,（4）合适的负偏压-UGE：在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，缩短关断
19、时间，需施加负偏压-UGE，同时还可防止关断瞬间因du/dt过高造成误导通，并提高抗干扰能力。反偏压-UGE一般取-2-10V。（5）合理的栅极电阻RG：在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的RG。RG的范围为1400。（6）IGBT多用于高压场合，故驱动电路与整个控制电路应严格隔离。（7）利用门极控制特性，实现对IGBT的过电流、短路、管芯过热等保护。符合上述要求的IGBT典型驱动电压波形如下图所示。,符合基本要求的IGBT典型驱动电压波形,2、IGBT的驱动电路,（1）阻尼滤波门极驱动电路阻尼滤波门极驱动电路如下图a所示，为消除可能的振荡，IGBT的栅射极间接上RC网络组成的阻尼滤波器，且
20、连线采用双绞线。,（2）光耦合器门极驱动电路 如图b所示，它使信号电路与门极驱动电路隔离。驱动电路的输出级采用互补电路以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。,（3）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路 该电路由控制脉冲形成单元产生的脉冲信号经晶体管V进行功率放大后，加到脉冲变压器Tr，并由Tr隔离耦合经稳压管VDZ1、VDZ2限幅后驱动IGBT，由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构，且工作频率较高。,(4)定时器555组成的IGBT驱动电路555外接适当的电阻和电容就能构成多谐振荡器、单稳态电路和双稳态电路。在IGBT的驱动电路中，555的2、6端子接在一起，组成
21、了双稳态电路结构。控制脉冲信号经光耦VL隔离后将信号经由、传送至555的2、6端。当控制信号为高电平时，2端有效，使555输出端3为低电平；当控制信号为低电平时，6端有效，使555输出端3为高电平。额定输出电流为200mA。,(5)IGBT专用驱动模块的应用大多数IGBT生产厂都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系列、东芝的TK系列、三菱的M579XX系列，美国摩托罗拉的MPD系列等。东芝的M57962L型IGBT专用驱动模块是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动600V/400A和l200V/400A的IGBT，其原理方框图如下左图，应用电路如下右图。,2.3 电力电
22、子器件的保护,2.3.1 GTO的保护GTO主要应用于大容量变流器中，最严重的问题是由各种原因造成的短路过电流现象。一、过电流产生的原因过电流包括过载和短路两种情况。严重的是短路过电流，其产生的原因如下：（1）逆变器的桥臂短路 在GTO组成的逆变器中，若同一桥臂上的两个GTO同时导通，则会产生桥臂短路现象，亦称桥臂直通故障。（2）输出端的线间短路 若输出端发生线间短路，则短路电流流经相应支路的GTO，其短路电流相当大。（3）输出端线对地短路。,二、GTO的过电流保护 针对上述过电流产生的原因，可采取多种措施对GTO进行过电流保护。具体保护方法有以下4种。（1）熔断器保护法（2）撬杠保护法（3）
23、自关断保护法（4）门极电路的过流保护,2.3.2 GTR的保护因GTR存在二次击穿问题，其过程很快，诸如快熔之类的过电流保护对GTR类器件基本无用。它依赖于特殊的保护电路。,1、电压状态识别保护当GTR处于过载或短路故障状态时，随着集电极电流的急剧增加，其基射极电压和集射极电压均发生相应变化，可利用这一特点对GTR进行过载和短路保护。如下图所示。,2、桥臂互锁保护逆变器运行时，可能发生桥臂短路故障。只有确认同一桥臂的一个GTR关断后，另一个GTR才能导通。3、欠饱和及过饱和保护GTR的二次击穿多由于GTR工作于过饱和状态而引起，而基极驱动引起的过饱和又使GTR的存储时间不必要地加长，直接影响着
24、GTR的开关频率。通常欠饱和保护可根据被驱动GTR的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动器来完成。,2.3.3 P-MOSFET的保护P-MOSFET的薄弱之处是栅极绝缘层易被击穿损坏。在使用时必须注意采取保护措施。主要有下列保护方法：（1）防止静电击穿（2）栅源间的过电压保护（3）漏源间的过电压保护（4）短路、过电流保护,2.3.4 IGBT的保护IGBT常用的保护措施有:1）通过检测出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护；2）利用缓冲电路抑制过电压并限制；3）利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。（1）IGBT的过
25、电流保护对IGBT的过电流保护可采用漏极电压识别的方法。下图为过电流保护电路。由图可知，漏极电压与门极驱动信号相“与”后输出过电流信号，将此过电流信号反馈至主控电路切断门极信号，以保护IGBT不受损坏。,IGBT过流保护原理与电路,2、静电保护IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿问题，可采用MOSFET的防静电方法。3、短路保护在IGBT构成的变流器中发生负载短路或同一桥臂出现直通现象时，电源电压直接加到IGBT的C、E两极之间，流过IGBT的集电极电流将会急剧增加，此时如不迅速撤除栅极驱动信号，就会烧毁IGBT。IGBT只能承受很短时间的短路电流，此时间与IGBT的导通
26、饱和压降有关。为了封锁短路电流，可采用以下方法：1）软关断降低栅压的方法2）过电流降低栅压的方法,下图为降低栅压实现IGBT短路保护的功能示意图,2.4 电力电子器件的缓冲电路,2.4.1 缓冲电路的作用与基本类型缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，是通过限压、限流、抑制 和 等方法，把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗在缓冲电路的电阻上，或者由缓冲电路设法将其反馈到电源中去。此缓冲电路可分为两大类：前一类是能耗型缓冲电路，后一类是反馈型缓冲电路。能耗型缓冲电路简单，在电力电子器件的容量不大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用很广泛。,2.4.2 缓冲电路的基本结构,下面几种
27、缓冲电路是基本RCD缓冲电路的简化或演变,（a）IGBT桥臂（b）桥臂模块公用（c）有反馈功能（d）不对称有反馈（e）,形吸收电路模块的单电容电路 的RCD电路 的RCD电路功能 的RCD电路,2.5 电力电子器件的串并联应用,2.5.1 GTO的串并联应用一、GTO的串联使用器件串联使用时主要应解决静、动态过程中的均压问题。下图为GTO串联使用的典型电路，图中电阻为静态均压电阻，电感为动态均压电感。,二、GTO的并联使用GTO的并联使用必须解决器件间的静态与动态均流问题,1、强迫均流法,GTO强迫均流法的基本电路,2、直接并联法下图是两种直接并联的基本电路。在图a中每个GTO的门极串入一定阻
28、抗后与门极信号电路相连接，此电路称作非门极耦合电路。在图b中先将门极端联在一起，然后再接一阻抗，这种电路称为门极直接耦合电路。,（a）IGBT桥臂（b）桥臂模块公用（c）有反馈功能（d）不对称有反馈（e）,形吸收电路模块的单电容电路 的RCD电路 的RCD电路功能 的RCD电路,（a）门极串阻抗后的耦合（b）门极直接耦合GTO直接并联的基本电路,2.5.2 P-MOSFET的并联应用当电路要求的电流容量超过单只P-MOSFET的电流容量时，常常需要并联使用P-MOSFET，以增加传导电流或功率的能力。多个功率MOSFET可以直接并联使用，一般不需要采取均流措施，因为P-MOSFET的通态电阻具
29、有正温度系数，它能使多个并联的P-MOSFET自动均流。但是，由于P-MOSFET自身参数及电路参数不匹配，会导致器件并联应用时出现电流分配不均的问题。严重的电流分配不均，会使并联P-MOSFET过载以至烧坏。为了并联器件能够做到动态均流运行，应注意以下两个问题。1）尽量挑选跨导、栅源开启电压、输入电容和通态电阻值相近的管子作并联用。2）精心布局。器件安装位置应尽量做到完全对称，所有连接线必须一样长，而且尽量加粗和缩短。电源引线最好使用多股绞线，并将电流环的面积做到最小。,2.5.3 IGBT的串并联应用一、IGBT的串联使用1、静态均压问题在IGBT器件都关断的情况下，各IGBT的关断电阻可
30、能不一致，因而会造成分压不均。可以在各IGBT集电极C和发射极E之间并联阻值相等的电阻(远小于关断电阻)来解决这个问题。2、动态过压问题尽管串联电路中各IGBT指标、栅极控制信号电路完全相同，但由于各IGBT的性能、开关速度的差异，栅极控制信号线路元器件参数的不一致，线路存在分布电感、分布电容等因素，会造成各IGBT的开关动作不一致，这就会造成个别IGBT器件在开关瞬间超过其耐压，损坏该器件。,IGBT的串联控制方式,二、IGBT的并联使用IGBT并联的最主要的问题就是均流问题。可采用下列措施：1）在并联时，为减小电流的不平衡，最好采用同等级的器件；2）各IGBT的栅极均要接上推荐的栅极电阻；3）IGBT之间的距离越近越好，发射极之间的接线要等距；4）接线要尽量靠近各IGBT的引出端，要用铜排或扁条；5）驱动电路的输出接线要尽量短，且要用屏蔽线或绞合线。,
