大功率晶體管驅動電路的設計及其應用

摘要：介紹了大功率晶體管（GTR）基極驅動電路的設計，分析了基極驅動電路的要求及其設計方法，并給出一種實用的驅動電路。

關鍵詞：大功率晶體管；基極驅動電路；分析；設計

1 引言

作為逆變電路中的核心部件——大功率開關器件，一般分為三大類型，即雙極型、單極型和混合型。雙極型GTO、GTR、SITH等；單極型有功率MOSFET、SIT等；混合型有IGBT、MGT（MOS門極晶體管）等。這些大功率器件的運行狀態及安全性直接決定了變頻器和逆變器性能的優劣，而性能良好的驅動電路又是開關器件安全可靠運行的重要保障。本文重點介紹GTR的基極驅動電路。

大功率晶體管（GiantTransistor—GTR）也稱巨型晶體管，是三層結構的雙極全控型大功率高反壓晶體管，它具有自關斷能力，控制十分方便，并有飽和壓降低和比較寬的安全工作區等優點，在許多電力變流裝置中得到了應用。

在電力電子裝置中，GTR主要工作在開關狀態。GTR是一種電流控制型器件，即在其基極注入電流I_B后，集電極便能得到放大了的電流IC，電流放大倍數由h_FE來評價。對于工作在開關狀態的GTR，關鍵的技術參數是反向耐壓V_CE和正向導通電流IC。由于GTR不是理想的開關，當飽和導通時，有管壓降V_CES，關斷時有漏電流I_CEO；加之開關轉換過程中具有開通時間t_on。（含延遲時間t_d和上升時間t_r），關斷時間t_off（含存貯時間t_s和下降時間t_f），因此使用GTR時，對其集電極功耗PC與結溫T_jm也應給予足夠的重視。

2 基極驅動電路設計原則

GTR基極驅動電路和性能直接影響著GTR的工作狀況，因此在設計基極驅動電路時應考慮以下兩點：最優化驅動方式和自動快速保護。

所謂最優化驅動，就是以理想的基極驅動電流波形去控制GTR的開關過程，以便提高開關速度，減小開關損耗。理想的基極驅動電流波形如圖1所示。由圖1可以看出，為加快開通時間和降低開通損耗，正向基極電流在開通初期不但要求有陡峭的前沿，而且要求有一定時間的過驅動電流I_B1。導通階段的基極驅動電流I_B2應使GTR恰好維持在準飽和狀態，以便縮短存儲時間t_s。一般情況下，過驅動電流I_B1的數值選為準飽和基極驅動電流值I_B2的3倍左右，過驅動電流波形前沿應控制在0.5μs以內，其寬度控制在2μs左右。關斷GTR時，反向基極驅動電流I_B3應大一些，以便加快基區中載流子的抽走速度，縮短關斷時間，減小關斷損耗，實際應用中，常選I_B3=I_B1或更大一些。這種基極驅動波形一般由加速電路和貝克箝位電路來實現。

圖1 理想的基極驅動電流波形

另外，GTR的驅動電路還應有自保護功能，以便在故障狀態下能快速自動切除基極驅動信號，以避免GTR的損壞。保護電路的類型有多種，根據器件及電路的不同要求可進行適當的選擇。為了提高開關速度，可采用抗飽和保護電路；要保證開關電路自身功耗低，可采用退飽和保護電路；要防止基極欠驅動導致器件過載狀態，可采用電源電壓監控保護。此外，還有脈沖寬度限制電路以及防止GTR損壞的過壓、過流、過熱等保護電路。

基極驅動電路構成形式很多，歸結起來有三個明顯的趨勢：

1）為了提高工作速度，都以抗飽和貝克箝位電路作為基本電路；

2）不斷完善和擴大自動保護功能；

3）在開通和關斷速度方面不斷加以改進和完善。

3 基極驅動電路一例

3.1 電路組成與功能

下面介紹一種實用高效自保護基極驅動電路，它不但能維持GTR工作在準飽和狀態，而且可以對GTR的過載提供快速可靠的保護，防止GTR進入放大區。另外可以改善GTR的開關特性，縮短開關時間，降低驅動功率，提高驅動效率，具體電路如圖2所示。它主要由信號隔離電路，退飽和檢測電路，控制信號綜合電路和具有反偏壓的自適應輸出電路組成。信號隔離電路由光電耦合器B_D構成，實現邏輯控制電路與驅動電路之間的電氣隔離；退飽和檢測電路由二極管D₆和電壓比較器A₁組成。當GTR的集-射極電壓V_CE高于某一規定值時，電壓比較器A₁輸出過載保護信號。控制信號的綜合電路由三極管V₁構成。其功能是將正常的開關驅動信號與退飽和禁止信號疊加處理后送至輸出級。具有反偏壓的自適應輸出驅動級由三級管V₃、V₄，二極管D₇、D₈、D₉，電容器C₂等元器件組成，它的功能是提高開關速度和產生反偏壓驅動波形。

圖2 基極驅動電路