电力电子器件的驱动要求_电力电子在电力系统中的应用

2.6 电力电子器件的驱动

2.6.1 电力电子器件驱动电路概述

驱动电路——主电路与控制电路之间的接口

作用：将控制电路的信号转换成电力电子器件的驱动控制信号。

重要意义：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。

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。
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。

光隔离一般采用光耦合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。

光电耦合有普通、高速和高传输比三种类型。如下图所示，输入为高电平，输出为低电平。

电力电子器件的驱动要求_电力电子在电力系统中的应用 — a）普通型；b）高速型；c）高传输比型

分类

按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。

驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。

双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。

为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。

2.6.2 晶闸管的触发电路

晶闸管的驱动控制电路通常又称为触发电路。

作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

触发信号可以是脉冲形式，也可以是直流形式，但门极-阴极必须是正极性的。触发信号通常采用脉冲形式。往往包括相位控制电路。

$\large t_{1}\sim t_{2}$ ：脉冲前沿上升时间（ $\large < 1\mu s$ ），前沿较陡，目的是为了使晶闸管快速导通

$\large t_{1}\sim t_{3}$ ：强脉宽度

$\large I_{M}$ ：强脉冲幅值（ $\large 3I_{GT}\sim 5I_{GT}$ ）

$\large t_{1}\sim t_{4}$ ：脉冲宽度

$\large I$ ：脉冲平顶幅值（ $\large 1.5I_{GT}\sim 2I_{GT}$ ）

晶闸管触发电路的要求

触发信号应有足够大的功率。
触发脉冲的同步及足够的移相范围。
脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。（有足够的宽度，且前沿要陡）
触发脉冲应有足够的幅度。（应能产生强触发脉冲）
不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。
有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

电气隔离的晶闸管触发电路

多数情况下，需要与电网相关的同步信号。
少数场合，不需要同步信号。
光隔离构成的触发电路一般由光电耦合器和放大电路组成。
磁耦合器可采用脉冲变压器。
控制电路产生的脉冲通过电气隔离、放大后施加到晶闸管。

常见的晶闸管触发电路

Ⅰ、光电隔离的晶闸管触发电路

输入高电平——发光二极管有电流通过而发光， $\large VT_{1}$ 基极电位被拉低而截止，无驱动电流。

输入低电平——发光二极管没有电流通过，不发光， $\large VT_{1}$ 基射极之间有正偏电压而导通，驱动SCR。

Ⅱ、磁耦合隔离的晶闸管触发电路

$\large V_{1}$ 、 $\large V_{2}$ 构成脉冲放大环节。

脉冲变压器TM（电气隔离）和附属电路构成脉冲输出环节。

输入高电平—— $\large V_{1}$ 、 $\large V_{2}$ 导通，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲，宽度由控制电路限定。

输入低电平—— $\large VD_{1}$ 、 $\large R_{3}$ 续流，TM的内部激磁电流降为零，防止饱和。

同步信号为锯齿波的触发电路框图

该电路可分为：同步信号处理、锯齿波形成及脉冲移相、脉冲形成与放大三个基本环节，以及双脉冲形成、强触发等环节。

其中，放大隔离采用脉冲变压器；X信号由本体触发电路产生，Y信号由另外触发电路产生，X、Y产生脉冲的时间不同，通过或门产生双载脉冲； $\large u_{k}$ 为控制电压，其大小可以使脉冲触发时刻发生变化，也就是相对晶闸管上的正弦波的相位发生变化，也就是移相；输入的同步信号与主电路中对应触发的晶闸管上的正弦波电压要同频率且反向（相差180°）。

同步信号为锯齿波的触发电路

Ⅰ、同步信号处理

要求锯齿波与主电源频率相同、相位控制。

$\large TR_{1}$ 为同步变压器， $\large u_{ST}$ 为正弦波，Q点的电压为 $\large u_{Q}$ ， $\large u_{T}$ 为锯齿波。

$\large u_{ST}$ 下降时，由于二极管 $\large VD_{1}$ 钳位， $\large u_{Q}$ 下降；下降到负最大值后， $\large u_{ST}$ 开始上升，由于二极管 $\large VD_{1}$ 反向阻断，这时Q点电压需要经 $\large R_{1}$ 对 $\large C_{1}$ 充电才能升高，这段时间不受 $\large u_{ST}$ 控制，即 $\large u_{Q}$ 上升受 $\large R_{1}C_{1}$ 充电时间常数决定；但Q点电压不能一直上升，被 $\large VT_{2}$ 和 $\large VD_{2}$ 所钳位，所以Q点电压不会大于1.4V（0.7+0.7），等于1.4V时， $\large VT_{2}$ 导通。Q点电压决定了 $\large VT_{2}$ 是否导通。Q点电压波形与充电时间常数 $\large R_{1}C_{1}$ 有关。由 $\large R_{1}$ $\large C_{1}$ 决定锯齿波宽度。

Ⅱ、锯齿波形成

DW为稳压二极管， $\large VT_{1}$ 的基极电位恒定， $\large I_{C1}$ 恒定；DW、RP、 $\large R_{3}$ 、 $\large VT_{1}$ 组成恒流源； $\large I_{C1}$ 流向三路，一路经过 $\large R_{4}$ 流经 $\large VT_{2}$ ,一路流经 $\large VT_{3}$ ，一路向电容 $\large C_{2}$ 充电。

$\large VT_{2}$ 截止， $\large R_{5}$ 很大时 $\large VT_{3}$ 基极电流也很小， $\large I_{C1}$ 绝大部分经过 $\large C_{2}$ 。

$\large VT_{1}$ 集电极电压为： $\large u_{C1}=\frac{1}{C_{2}}\int idt=\frac{1}{C_{2}}\int I_{C1}dt=\frac{1}{C_{2}}I_{C1}t$

$\large VT_{2}$ 导通时，且 $\large R_{4}$ 很小，电容 $\large C_{2}$ 快速放电， $\large u_{C1}=u_{B3}$ 迅速下降，约为零。

$\large VT_{2}$ 同步开关控制恒流源对电容 $\large C_{2}$ 的充电、放电，也就是 $\large C_{2}$ 上的锯齿波电压的上升宽度与频率由 $\large VT_{2}$ 截至和导通来决定。如果 $\large VT_{2}$ 开关与主电路电源（ $\large u_{ST}$ ）的频率相同，而且相位关系确定，那么锯齿波电压就与主电路电源的频率相同，且相位关系确定。

$\large VT_{3}$ 组成射极跟随器，以减小后级对锯齿波线性的影响。当 $\large R_{5}$ 阻值较大时， $\large VT_{3}$ 的发射极电流较小，其基极电流更小，远远小于 $\large I_{C1}$ ，对恒流充电电流 $\large I_{C1}$ 影响不大。 $\large u_{B3}$ 为锯齿波， $\large u_{E3}$ 只与它相差了PN结的压降，所以 $\large u_{E3}$ 也是锯齿波。

Ⅲ、脉冲移相电路

移相控制电路由 $\large VT_{4}$ 组成。根据叠加原理，假设 $\large \acute{u}_{T}$ 、 $\large \acute{u}_{K}$ 、 $\large \acute{u}_{P}$ 为锯齿波电压 $\large u_{E3}\left ( u_{T} \right )$ 、直流控制电压 $\large u_{K}$ 、负的直流偏压 $\large u_{P}$ 分别经电阻 $\large R_{6}$ 、 $\large R_{7}$ 、 $\large R_{8}$ 单独作用时在综合点的分压值。三者综合作用引起 $\large VT_{4}$ 通断。通过调节 $\large u_{K}$ 的大小， $\large VT_{4}$ 开始导通时刻发生变化，这就是移相的原理。

晶闸管集成化触发电路

国内常用的产品主要有KC系列和KJ系列。

用于单相、三相全控桥式电路的KC04、KC09和KJ004、KJ009。

用于双向晶闸管或反并联晶闸管调相控制的KC05、KC06和KJ005、KJ006。

也有较新型的TCA785、TC787等芯片。

还有单结晶体管触发电路、过零触发电路等等。

2.6.3 典型全控型器件的驱动电路

1）电流驱动型器件的驱动电路

Ⅰ、GTO

除电气隔离外，GTO门极驱动电路的一般要求有：

开通时，驱动信号前沿要陡，且应有足够大的功率与足够的宽度；（与普通晶闸管相似）
关断时，门极驱动电路应产生负电压并具有足够的灌电流能力；（关断能力要求高）
关断后，门极驱动电路应保持负电压。（防止因干扰而误导通）
另外，当存在门极反偏电路时，开通时门极驱动应持续保持一定的驱动电流，以免误关断。

GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

对GTO而言，门极关断电流大。

GTO门极供电有三种方式：单电源供电方式、多电源供电方式、脉冲变压器供电方式。

当 $\large VT_{1}$ 导通而 $\large VT_{2}$ 、 $\large VT_{3}$ 断开时，输出正强脉冲； $\large VT_{2}$ 导通而 $\large VT_{1}$ 、 $\large VT_{3}$ 断开时，输出脉冲平顶； $\large VT_{1}$ 、 $\large VT_{2}$ 断开而 $\large VT_{3}$ 导通时，产生反向门极电流； $\large VT_{3}$ 关断后， $\large R_{4}$ 和 $\large R_{3}$ 提供负偏压，防止因干扰而误导通。

直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。

VT导通而KK断开时，给门极提供电流，开始输出正偏电压脉冲，GTO导通；VT断开而KK导通时，就会产生负电压和门极反向电流，并保持一定的负电压，直到门极反向电流降为零，KK自然关断。

供电方式不同，GTO的可关断阳极电流和频率不同。

Ⅱ、GTR

GTR对基极驱动一般要求如下：

前沿上升时间应小于 $\large 1\mu s$ ；
开通时，应有较大的基极驱动电流，并应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区；
关断时，应有一定的灌电流能力（施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗）；
关断后，应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。

如下图，该电路GTR基极电流 $\large I_{B}$ 能自动适应 $\large I_{C}$ 的变化。

$\large u_{i}$ 正偏， $\large VT_{1}$ 导通，A点电位降低； $\large VT_{2}$ 基极通过 $\large VD_{1}$ 、B点、 $\large R_{2}$ 、A点、 $\large VT_{1}$ 有基极电流， $\large VT_{2}$ 导通； $\large VT_{2}$ 集电极C点输出高电位，通过 $\large R_{8}$ 、 $\large C_{1}$ 给 $\large VT_{3}$ 、 $\large VT_{4}$ 基极注入电流，再通过 $\large VT_{3}$ 、 $\large VT_{4}$ 组成的射极跟随器，输出给GTR，也就是给VT的基极注入电流，VT导通。

$\large I_{B}$ 过大时，GTR过饱和，其导通压降更小，则 $\large VD_{3}$ 阴极侧电压降低， $\large VD_{3}$ 有电流通过，也就是通过 $\large R_{8}$ 、 $\large C_{1}$ 的电流被分成3路，其中一路通过 $\large VD_{3}$ ，一路通过 $\large VT_{3}$ 的基极，一路通过 $\large VT_{4}$ 的基极和 $\large R_{5}$ （这一路的电流很小），三路总电流基本不变；被 $\large VD_{3}$ 分流后， $\large VT_{3}$ 的基极电流减小，z则 $\large VT_{3}$ 发射极输出电流减小，驱动电流也就是GTR基极电流就减小，防止GTR过饱和（基极电流过大——集电极和发射极的导通压降更小，避免过饱和的方法是减小基极电流）。

$\large VD_{3}$ 称为贝克钳位二极管。

$\large u_{i}$ 零偏， $\large VT_{1}$ 截止，A点和B点电位升高， $\large VT_{2}$ 基极没有电流而截止， $\large VT_{2}$ 集电极没有输出电流；由于电阻 $\large R_{5}$ 的下拉，C点电位下降， $\large VT_{3}$ 、 $\large VT_{4}$ 的输入和输出接近于负电源电压，GTR关断，而且驱动电路输出还保持负电源电压。

电路中 $\large C_{1}$ 的作用：有开通信号时，电容左边电压变高，电容两端电压不能突变，电容右边的电压也突然升高，就可以使 $\large VT_{3}$ 、 $\large VT_{4}$ 的基极产生电压尖冲，通过 $\large VT_{3}$ 、 $\large VT_{4}$ 的放大，对GTR基极产生一个尖冲的电压与电流。

GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。

驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。

2）电压驱动型器件的驱动电路

电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。

栅极驱动电路的一般要求有：

为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。
使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V。
关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。
在栅极串入一只低值电阻（数十欧）可以减小寄生振荡。

Ⅰ、电力MOSFET的驱动

根据波形要求设计两种直接驱动的栅控电路（小功率）。栅极直接驱动是最简单的一种形式，可以用TTL器件或CMOS器件整形放大后驱动。

单个晶体管放大驱动电路

$\large u_{i}$ 输入信号为正偏15V时（输入断开即可），晶体管VT导通，使MOSFET快速导通； $\large u_{i}$ 变为低电平时，VT截止，电力MOSFET输入电容通过二极管VD接到输入低电平放电，保证栅极电压接近于零，电力MOSFET处于关断状态。

由于晶体管VT的放大作用，加快了电场的建立，提高了电力MOSFET的导通速度。

推挽式直接驱动电路

$\large u_{i}$ 为正偏置15V时（输入断开即可）， $\large VT_{1}$ 导通，电力MOSFET快速导通； $\large u_{i}$ 为零偏置时，MOSFET栅极通过 $\large VT_{2}$ 接地，电力MOSFET快速关断。

$\large VT_{1}$ 和 $\large VT_{2}$ 推挽工作，不会出现饱和状态，因此信号的传输无延迟。

电力MOSFET的一种驱动电路

电气隔离和晶体管放大电路两部分。

$\large u_{i}$ 为0时，光电耦合器截止，放大器A的同向输入端电压低，同向输入端电压约为正负电源的中点电压，A输出低电平， $\large VT_{3}$ 导通， $\large VT_{2}$ 、 $\large VT_{3}$ 推挽电路约输出 $\large -V_{C}$ 驱动电压，MOSFET关断；

$\large u_{i}$ 为正时，光电耦合器导通，放大器A的同向输入端电压高，A输出高电平，推挽电路约输出 $\large +V_{C}$ 电压，MOSFET开通。

该电路也可应用于IGBT的驱动，只需要将图中的P-MOSFET替换成IGBT即可。

MOSFET集成驱动芯片IR2110的典型连接

逻辑： $\large H_{IN}$ ， $\large L_{IN}$ 分别控制 $\large H_{O}$ ， $\large L_{O}$ ，但两个输入不能同时是高电平，IR2110内部有保护电路，防止两个输出同时为高电平（ $\large VT_{1}$ 、 $\large VT_{2}$ 同时导通引起电源短路）。

$\large S_{D}$ 为高电平时，封锁2个输出，即使两个输出均为低电平，关断两个MOSFET停止工作，可达到保护的目的。

电源： $\large V_{b}$ – $\large V_{S}$ 构成自举电源， $\large VT_{2}$ 导通时充电。 $\large L_{O}$ 的驱动电源引脚为 $\large V_{CC}$ 和Com，由外部提供。 $\large H_{O}$ 的驱动电源由电源正端 $\large V_{b}$ 、负端 $\large V_{S}$ 提供，可以用一个隔离电源加到这两个引脚上，也可以通过自举的方式在两端产生电源。图中采用第二个方法，加了一个二极管。 $\large VT_{2}$ 导通时， $\large V_{S}$ 通过 $\large VT_{2}$ 接Com， $\large V_{CC}$ 通过二极管接 $\large V_{b}$ ， $\large V_{CC}$ 和Com直接对 $\large V_{b}$ 、 $\large V_{S}$ 充电； $\large VT_{2}$ 关断时， $\large V_{S}$ 电压升高， $\large V_{b}$ 电压也升高，但二极管起隔离作用，不会对 $\large V_{CC}$ 放电；在 $\large VT_{2}$ 关断期间， $\large H_{O}$ 可以输出高电平或低电平，使 $\large VT_{1}$ 导通或关断； $\large V_{b}$ 、 $\large V_{S}$ 两端电压稍有下降，当 $\large VT_{2}$ 再次导通时， $\large V_{CC}$ 又通过二极管对其充电，这样使 $\large V_{b}$ 、 $\large V_{S}$ 电压基本保持稳定。

IR2110内部只具有电平转换功能和逻辑运算功能，本身不具有逻辑信号与功率信号的电气隔离功能。

专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。

Ⅱ、IGBT的驱动

MOSFET的驱动电路原则上适用于IGBT。但IGBT驱动电路必须提供正、负偏置，其中负电压-5V~-15V。混合集成驱动电路，可实现IGBT的最优控制。（多采用专用的混合集成驱动器）

常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。

EXB系列集成模块的框图，可靠，效率高。

管脚14、15内部接的是光电耦合器的发光二极管；管脚2、9接外部电源；管脚1、9之间有一个6V的稳压二极管，以管脚1为参考地，则2脚为+14V，9脚为-6V，管脚2、1、9构成正电源、参考地、负电源；管脚3为驱动信号端；管脚6为防止过饱和端，防止IGBT过饱和；管脚5为过流保护端，IGBT过电流时，5脚输出过流信号，通过光电隔离送给CPU。

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