聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第8章4.ppt

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1、8.5电力半导体器件的驱动电路电力半导体器件的驱动电路驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口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。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对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱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。动电路实现。8.5.1驱动电路的一般结构驱动电路的一般结构2021/9/231控制控制电路电路电气隔离电气隔离驱动驱动环节环节电路电路电力电子电力电子电路

2、电路负负载载驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。可以使其开通或关断的信号。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。提供关断控制信号。2021/9/232驱驱动动电电路路还还要要提提供供控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的电电气气隔离隔离环节，一般采用环节，一般采用光隔

3、离或磁隔离光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器光耦合器的类型及接法光耦合器的类型及接法a)普通型普通型b)高速型高速型c)高传输比型高传输比型2021/9/233按按照照驱驱动动信信号号的的性性质质，可可分分为为电电流流驱驱动动型型和和电压驱动型电压驱动型。驱驱动动电电路路具具体体形形式式可可以以是是分分立立元元件件的的，但但目目前的趋势是采用前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。分类：分类：2021/9/2348.5.2晶闸管的晶闸管的触发电路触发电路触发电路触发电路：向晶闸管向晶闸管供给脉冲供给脉冲的

4、电路。的电路。种类种类：单单节节晶晶闸闸管管触触发发电电路路；小小容容量量晶晶闸闸管管触触发发电电路路；晶体管晶体管触发电路触发电路2021/9/235触发电路的组成触发电路的组成n1、同步电路：同步电路：使触发脉冲每次产生的时刻，使触发脉冲每次产生的时刻，都能准确地对应着主电路电压波形上控制角为都能准确地对应着主电路电压波形上控制角为的时刻。的时刻。n2、移相控制：、移相控制：调节触发脉冲每次产生的时刻调节触发脉冲每次产生的时刻（即调节控制角（即调节控制角的大小）的大小）n3、脉冲形成、脉冲形成：产生一定功率的脉冲：产生一定功率的脉冲n4、脉冲功率放大、脉冲功率放大同步电路同步电路移相控制移

5、相控制脉冲形成脉冲形成脉冲功率放大脉冲功率放大脉冲输出脉冲输出主电路主电路电压信号电压信号移向调节信号移向调节信号脉冲电源脉冲电源2021/9/236触发电压波形触发电压波形1.晶闸管触发电路的晶闸管触发电路的要求要求（1）触触发发电电压压ug和和电电流流足足够够大大，4V，10V。脉脉冲冲电电流的幅度应为器件最大触发电流的流的幅度应为器件最大触发电流的35倍。倍。(2)由由于于晶晶闸闸管管从从截截止止状状态态到到完完全全导导通通需需要要一一定定时时间间(一一般般在在10us以以内内)，因因此此，触触发发脉脉冲冲的的宽宽度度t1必必须须在在10us以以上上(最最好好有有20us一一50us)，

6、才才能能保保证证晶晶闸闸管管可可靠靠触发。触发。2021/9/237环境温度环境温度改变，使改变，使晶闸管触发电压从晶闸管触发电压从ug1ug2，晶闸管开始，晶闸管开始触发时间从触发时间从t1t2，触发时间推迟触发时间推迟(3).触发触发脉冲的脉冲的前沿要陡前沿要陡，最好，最好10sIIMt1理想的晶闸管触发脉冲电流波形理想的晶闸管触发脉冲电流波形t2t3t4it2021/9/238(5).在在晶晶闸闸管管整整流流等等移移相相控控制制的的触触发发电电路路中中，触触发发脉脉冲冲应应和和主主电电路路同同步步，二二者者频频率率应应该该相相同同，且且要要有有固固定定的的相相位位关关系系，使使每每一一个

7、个周周期期都都能能在在同同样样的的相相位位上上触触发发，脉脉冲冲发发出出的的时时间间能能够够平平稳稳地地前前后后移移动动(移移相相)，移相范围要足够宽。，移相范围要足够宽。(4).不触发时，触发电路的输出电压应该小于不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V，为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时，为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个可在控制极上加上一个1V2V的负偏压的负偏压2021/9/2392.单节晶体管单节晶体管触发电路触发电路优点优点：线线路路简简单单、可可靠靠、前前沿沿陡陡、抗抗干干扰扰能能力力强强、能能量损耗小、温度补偿性能好等。量损耗小、温度补偿性能好等。

8、应用应用：50A以下单相或三相半控桥式系统。以下单相或三相半控桥式系统。2021/9/23101）单节晶体管的）单节晶体管的结构和特性结构和特性发射极发射极e基极基极b1基极基极b2结构结构：2021/9/2311图形符号图形符号2021/9/2312等效电路等效电路:rb1第一基极与发射极第一基极与发射极之间电阻之间电阻rb2第二基极与发射极第二基极与发射极之间电阻之间电阻2021/9/2313A点电压点电压:2021/9/2314分分压压系系数数(分分压压比比)，与与管管子子结结构构有有关关，0.30.92021/9/2315特性曲线特性曲线当当UeUA，PN结受反压，结受反压，Ie很小，

9、且很小，且IeUA，且，且Ue-UAUD，虽，虽PN结正向偏压，结正向偏压，但但Ie不显著不显著，晶，晶体管处于体管处于截止状截止状态态(UD硅二极管正硅二极管正向压降，向压降，0.7V)2021/9/2318当当UeUAUD，e对对b1导通导通2021/9/2319IeN型硅片注入大型硅片注入大量量空穴型载流子空穴型载流子到到b1与与电子复合电子复合rb1迅速迅速UA，Ie进一步进一步rb1进一步进一步UA急剧急剧，呈现，呈现负阻特负阻特性性。2021/9/2320峰点峰点P，峰点电压，峰点电压UP，峰点电流，峰点电流IP2021/9/2321谷点谷点V，谷点电压，谷点电压UV，谷点电流，谷

10、点电流IV。当。当Ue到到UV，rb1不再显著变不再显著变化，化，Ue也不再继续也不再继续。随。随Ie，Ue按线性按线性关系关系2021/9/2322V点以后的区点以后的区域为域为饱和区饱和区2021/9/2323当当UeUV，e与与b1间间恢复截止恢复截止2021/9/23242）单节晶体管的）单节晶体管的自振荡自振荡(张弛振荡张弛振荡)电路电路合上合上S，E通过通过R1、R2加于加于b1、b2，同时又通过，同时又通过R向向C充充电电2021/9/2325UC按按指数曲线指数曲线升高升高2021/9/2326当当uCUP，晶体管由晶体管由截止截止导通导通，C通过通过e、b1迅速向迅速向R1放

11、电，放电，R1较小，而导通后较小，而导通后rb1迅速迅速，C放电很快，在放电很快，在R1上得到一个上得到一个尖峰脉冲尖峰脉冲输出电压输出电压u02021/9/2327R较大，当较大，当uCUV，经，经R供给供给的电流的电流UP时，时，uC通过通过eb1、R1放电，放电，从从R1上取出上取出触发脉冲，加在晶闸管控制极和阴极上触发脉冲，加在晶闸管控制极和阴极上2021/9/2344发出第一脉冲时，晶闸管导通；发出第一脉冲时，晶闸管导通；当电压当电压过零反向过零反向时，晶闸管时，晶闸管自自行关断行关断2021/9/2345第一脉冲后，振荡电路仍工作，第一脉冲后，振荡电路仍工作，C继续继续充、放电，可

12、能发出第二、三个或更多充、放电，可能发出第二、三个或更多脉冲，但不起作用脉冲，但不起作用2021/9/2346电压电压uS过零过零2021/9/2347uS过零时，过零时，b1b2电压也电压也到到0。eb1导通，导通，uC通过通过eb1、R1很快很快放掉放掉，使，使C每次均能从零开始充每次均能从零开始充电电，从而与主电路，从而与主电路同步同步2021/9/2348电压电压uS过零时，过零时，uC通过通过eb1、R1很快很快放掉放掉，使，使C每次均能从零开始充电每次均能从零开始充电2021/9/2349移相控制移相控制：改变：改变R可以改变可以改变uC到到UP时间，即改变时间，即改变C开始放电产

13、生开始放电产生脉冲使晶闸管触发导通的时刻脉冲使晶闸管触发导通的时刻2021/9/23508.5.3全控型器件的驱动电路全控型器件的驱动电路1.电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路1）GTO的驱动电路的驱动电路GTO的的导导通通控控制制与与普普通通晶晶闸闸管管相相似似，但但对对脉脉冲冲前前沿沿的的幅幅值值和和陡陡度度要要求求高高，且且一一般般需需在在整整个个导导通通期期间间施施加加正正门门极极电流。电流。使使GTO关关断断需需施施加加负负门门极极电电流流，对对其其幅幅值值和和陡陡度度的的要要求求更更高高，关关断断后后还还应应在在门门阴阴极极施施加加约约5V的的负负偏偏压压以以提提高高

14、抗抗干扰能力。干扰能力。推荐的推荐的GTO门极电压电流波形门极电压电流波形2021/9/2351驱驱动动电电路路通通常常包包括括导导通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和和门门极极反反偏偏电电路路三三部部分分，可可分分为为脉脉冲冲变变压压器器耦合式耦合式和和直接耦合式直接耦合式两种类型。两种类型。直直接接耦耦合合式式驱驱动动电电路路可可避避免免电电路路内内部部的的相相互互干干扰扰和和寄寄生生振振荡荡，可可得得到到较较陡陡的的脉脉冲冲前前沿沿，因因此此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。2021/9/2352典典型型的的直直接接耦耦合合式式GTO驱驱

15、动动电路电路：二极管二极管V1和电容和电容C1提供提供+5V电压电压V2、V3、C2、C3构构成成倍倍压压整整流流电电路提供路提供+15V电压电压V4和电容和电容C4提供提供-15V电压电压VT1开通时，输出正强脉冲开通时，输出正强脉冲VT2开通时输出正脉冲平顶部分开通时输出正脉冲平顶部分VT2截止而截止而VT3开通时输出负脉冲开通时输出负脉冲VT3截止后截止后R3和和R4提供门极负偏压提供门极负偏压典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驱动电路驱动电路2021/9/23532）GTR的驱动电路的驱动电路开开通通驱驱动动电电流流应应使使GTR处处于于准准饱饱和和导导通通状状态，使之不进入放大区

16、和深饱和区态，使之不进入放大区和深饱和区关关断断GTR时时，施施加加一一定定的的负负基基极极电电流流有有利利于于减减小小关关断断时时间间和和关关断断损损耗耗，关关断断后后同同样样应应在在基基射射极极之之间间施施加加一一定定幅幅值值（6V左左右右）的的负偏压。负偏压。理想的理想的GTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形2021/9/2354GTR的的一一种种驱驱动动电电路路，包包括括电电气气隔隔离离和和晶晶体体管放大电路两部分管放大电路两部分GTR的一种驱动电路的一种驱动电路二极管二极管V2和电位补偿二极管和电位补偿二极管V3构成贝克箝位电路，也即一种抗构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较

17、轻时，如饱和电路，负载较轻时，如VT5发射极电流全注入发射极电流全注入GTR，会使，会使GTR过饱和。有了贝克箝位电路，当过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位过饱和使得集电极电位低于基极电位时，低于基极电位时，V2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持极，维持Ubc0。C2为加速开通过程的电容。开通时，为加速开通过程的电容。开通时，R5被被C2短路。可实现短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。2021/9/2355对栅极驱动电路的要求：对栅极驱动电路的要求：1.栅栅源源间间、栅

18、栅射射间间有有数数千千皮皮法法的的电电容容，为为快快速速建建立立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；2.使使MOSFET开开通通的的驱驱动动电电压压一一般般1015V，使使IGBT开通的驱动电压一般开通的驱动电压一般1520V；3.关关断断时时施施加加一一定定幅幅值值的的负负驱驱动动电电压压（一一般般取取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗；有利于减小关断时间和关断损耗；4.发发生生过过载载或或短短路路故故障障时时能能快快速速封封锁锁输输入入控控制制信信号号，并快速使极间电容放电，关断管子。并快速使极间电容放电，关断管子。5.在在栅栅极极串串入入一一只只低

19、低值值电电阻阻（数数十十欧欧左左右右）可可以以减减小小寄寄生生振振荡荡，该该电电阻阻阻阻值值应应随随被被驱驱动动器器件件电电流流额额定值的增大而减小。定值的增大而减小。2.电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路2021/9/2356无输入信号时高速放大器无输入信号时高速放大器A输出负电平输出负电平,VT3导通输出负驱动电压导通输出负驱动电压当有输入信号时当有输入信号时A输出正电平，输出正电平，VT2导通输出正驱动电压导通输出正驱动电压电力电力MOSFET的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两的一种驱动电路：电气隔离和晶体管放大电路两部分部分2021/9/2357IGBT的驱动的驱动 多采用专用的混合集成驱动器多采用专用的混合集成驱动器常常 用用 的的 有有 三三 菱菱 公公 司司 的的 M579系系 列列（如如M57962L和和 M57959L）和和 富富 士士 公公 司司 的的EXB系系 列列（如如 EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。内内部部具具有有退退饱饱、检检测测和和保保护护环环节节，当当发发生生过过电电流流时时能能快快速速响响应应但但慢慢速速关关断断IGBT，并向外部电路给出故障信号。并向外部电路给出故障信号。2021/9/2358