大功率晶体管驱动电路的设计及其应用

摘要：介绍了大功率晶体管（GTR）基极驱动电路的设计，分析了基极驱动电路的要求及其设计方法，并给出一种实用的驱动电路。

关键词：大功率晶体管；基极驱动电路；分析；设计

1  引言

    作为逆变电路中的核心部件——大功率开关器件，一般分为三大类型，即双极型、单极型和混合型。双极型GTO、GTR、SITH等；单极型有功率MOSFET、SIT等；混合型有IGBT、MGT（MOS门极晶体管）等。这些大功率器件的运行状态及安全性直接决定了变频器和逆变器性能的优劣，而性能良好的驱动电路又是开关器件安全可靠运行的重要保障。本文重点介绍GTR的基极驱动电路。

    大功率晶体管（GiantTransistor—GTR）也称巨型晶体管，是三层结构的双极全控型大功率高反压晶体管，它具有自关断能力，控制十分方便，并有饱和压降低和比较宽的安全工作区等优点，在许多电力变流装置中得到了应用。

    在电力电子装置中，GTR主要工作在开关状态。GTR是一种电流控制型器件，即在其基极注入电流I_B后，集电极便能得到放大了的电流IC，电流放大倍数由h_FE来评价。对于工作在开关状态的GTR，关键的技术参数是反向耐压V_CE和正向导通电流IC。由于GTR不是理想的开关，当饱和导通时，有管压降V_CES，关断时有漏电流I_CEO；加之开关转换过程中具有开通时间t_on。（含延迟时间t_d和上升时间t_r），关断时间t_off（含存贮时间t_s和下降时间t_f），因此使用GTR时，对其集电极功耗PC与结温T_jm也应给予足够的重视。

2  基极驱动电路设计原则

    GTR基极驱动电路和性能直接影响着GTR的工作状况，因此在设计基极驱动电路时应考虑以下两点：最优化驱动方式和自动快速保护。

    所谓最优化驱动，就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程，以便提高开关速度，减小开关损耗。理想的基极驱动电流波形如图1所示。由图1可以看出，为加快开通时间和降低开通损耗，正向基极电流在开通初期不但要求有陡峭的前沿，而且要求有一定时间的过驱动电流I_B1。导通阶段的基极驱动电流I_B2应使GTR恰好维持在准饱和状态，以便缩短存储时间t_s。一般情况下，过驱动电流I_B1的数值选为准饱和基极驱动电流值I_B2的3倍左右，过驱动电流波形前沿应控制在0.5μs以内，其宽度控制在2μs左右。关断GTR时，反向基极驱动电流I_B3应大一些，以便加快基区中载流子的抽走速度，缩短关断时间，减小关断损耗，实际应用中，常选I_B3=I_B1或更大一些。这种基极驱动波形一般由加速电路和贝克箝位电路来实现。

图1  理想的基极驱动电流波形

    另外，GTR的驱动电路还应有自保护功能，以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号，以避免GTR的损坏。保护电路的类型有多种，根据器件及电路的不同要求可进行适当的选择。为了提高开关速度，可采用抗饱和保护电路；要保证开关电路自身功耗低，可采用退饱和保护电路；要防止基极欠驱动导致器件过载状态，可采用电源电压监控保护。此外，还有脉冲宽度限制电路以及防止GTR损坏的过压、过流、过热等保护电路。

    基极驱动电路构成形式很多，归结起来有三个明显的趋势：

    1）为了提高工作速度，都以抗饱和贝克箝位电路作为基本电路；

    2）不断完善和扩大自动保护功能；

    3）在开通和关断速度方面不断加以改进和完善。

3  基极驱动电路一例

3.1  电路组成与功能

    下面介绍一种实用高效自保护基极驱动电路，它不但能维持GTR工作在准饱和状态，而且可以对GTR的过载提供快速可靠的保护，防止GTR进入放大区。另外可以改善GTR的开关特性，缩短开关时间，降低驱动功率，提高驱动效率，具体电路如图2所示。它主要由信号隔离电路，退饱和检测电路，控制信号综合电路和具有反偏压的自适应输出电路组成。信号隔离电路由光电耦合器B_D构成，实现逻辑控制电路与驱动电路之间的电气隔离；退饱和检测电路由二极管D₆和电压比较器A₁组成。当GTR的集-射极电压V_CE高于某一规定值时，电压比较器A₁输出过载保护信号。控制信号的综合电路由三极管V₁构成。其功能是将正常的开关驱动信号与退饱和禁止信号叠加处理后送至输出级。具有反偏压的自适应输出驱动级由三级管V₃、V₄，二极管D₇、D₈、D₉，电容器C₂等元器件组成，它的功能是提高开关速度和产生反偏压驱动波形。

图2  基极驱动电路