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功率開關MOS管器件的驅動電路是什麽原理?

信息來源:本站 日期:2017-07-05 

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引言本文

功率開關器件在電力電子設備中占領著中心位置,它的牢靠工作是整個安裝正常運轉的根本條件。功率開關器件的驅動電路是主電路與控制電路之間的接口,是電力電子安裝的重要局部。它對整個設備的性能有很大的影響,其作用是將控制回路輸出的控制脈沖放大到足以驅動功率開關器件。簡而言之,驅動電路的根本任務就是將控制電路傳來的信號,轉換爲加在器件控制端和公共端之間的能夠使其導通和關斷的信號。

同樣的mos管功率器件,采用不同的驅動电路将得到不同的开关特性。采用性能良好的驅動电路能够使功率开关器件工作在比拟理想的开关状态, 同时缩短开关时间,减小开关损耗,对安装的运转效率,牢靠性和平安性都有重要的意义。因而驅動电路的优劣直接影响主电路的性能,驅動电路的合理化设计显得越来越重要。晶闸管体积小,重量轻,效率高,寿命长,运用便当,能够便当的停止整流和逆变,且能够在不改动电路构造的前提下,改动整流或逆变电流的大小。IGBT 是 mosFET 和 GTR的复合器件,它具有开关速度快、热稳定性好、驅動功率小和驅動电路简单的特性,又具有通态压降小、耐压高和接受电流大等优点。IGBT作为主流的功率输出器件, 特别是在大功率的场所,曾经被普遍的应用于各个范畴。


mos管開關器件理想的驅動電路應滿足以下請求:

(1)功率開關管開通時,驅動電路可以提供快速上升的基極電流,使得開啓時有足夠的驅動功率,從而減小開通損耗。

(2)開關管導通期間,mos驅動電路提供的基極電流在任何負載狀況下都能保證功率管處于飽和導通狀態,保證比擬低的導通損耗。爲減小存儲時間,器件關斷前應處于臨界飽和狀態。

(3)關斷時,驅動電路應提供足夠的反向基極驅動,以疾速的抽出基區的剩余載流子,減小存儲時間;  並加反偏截止電壓,使集電極電流疾速降落以減小降落時間。當然,晶閘管的關斷主要還是靠反向陽極壓降來完成關斷的。
目前来说,关于晶闸管的驅動用的比拟多的只是经过变压器或者光耦隔离来把低压端与高压端隔开,再经过转换电路来驅動晶闸管的导通。而关于 IGBT来说目前用的较多的是 IGBT 的驅動模块,也有集成了 IGBT、 系统自维护、 自诊断等各个功用模块的 IPM。
本文针对我们所用到的晶闸管,设计实验驅動电路,并停止实考证明了它能够驅動晶闸管。而关于 IGBT的驅動,本文主要引见了目前主要的几种 IGBT 的驅動方式,以及与它们相对应的驅動电路,并对最常用的光耦隔离的驅動方式停止了仿真实验。

2.晶闸管驅動电路的研讨 普通来说晶闸管的工作状况是:

(1)晶閘管接受反向陽極電壓時,不管門極接受何種電壓,晶閘管都處于關斷狀態。

(2)晶閘管接受正向陽極電壓時,僅在門極接受正向電壓的狀況下晶閘管才導通。

(3)晶闸管在导通状况下,只需有一定的正向阳极电压,不管门极电压如何,晶闸管坚持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。  (4)晶闸管在导通状况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。我们选用的是晶闸管是 TYN1025,它的耐压是600 到 1000V,电流最大到达 25A。它所需求的门级驅動电压是 10 到 20V,驅動电流是 4 到 40mA。而它的维持电流是 50mA,擎住电流是 90mA。无论是 DSP 还是 CPLD 所发出的触发信号的幅值只要 5V。首先,先把只要 5V 的幅值转换成 24V,然后经过一个 2:1 的隔离变压器把 24V 的触发信号转换成 12V 的触发信号,同时完成了上下压隔离的功用。

實驗電路的設計與剖析

实验设计总电路图如下图 1 所示首先是升压电路,由于后级的隔离变压器电路中的 MOS 管器件需求 15V 的触发信号,所以,需求先把幅值 5V 的触发信号转成 15V 的触发信号,经过 MC14504 把 5V 的信号, 转换成为 15V的信号,然后再经过 CD4050 对输出的 15V 驅動信号整形, 实验的波形图如图 3 所示, 通道 2 接的是 5V 输入信号,通道 1 接的是输出的 15V 的触发信号。

第二局部是隔离变压器电路,实验电路图如图 4所示,该电路的主要功用是:把 15V 的触发信号,转换成为 12V 的触发信号去触发后面的晶闸管的导通,并且做到 15V 的触发信号与后级之距离。


该电路的工作原理是:由于 MOS 管 IRF640 的驅動电压为 15V,所以,首先是在 J1 处接入 15V 的方波信号,经过电阻 R4 接稳压管 1N4746,使触发电压稳定,也使得触发电压不至于过高,烧坏 MOS 管,然后接到 MOS 管 IRF640(其实这就是个开关管,控制后端的开通和关断) , MOS 管的工作图如下图 5, 经过控制驅動信号的占空比, 能够控制 MOS 管的开通和关断时间。当 MOS 管开通时,相当于它的 D 极接地,关断时是断开的,经过后级电路相当于接 24V。而变压器就是经过电压的变化来使右端输出 12V 的信号。变压器右端接一个整流桥,然后从接插件 X1 输出 12V的信号。下图 6 为该实验电路的仿真波形图,为了便当看清,我把 B 通道的正负引脚颠倒,测出图中的电压为负的,不过幅值是正确的。图 7 是该电路的实验波形图,与仿真波形图一样。

實驗過程中遇到的問題

首先,开端上电时,保险丝忽然熔断,后来查电路时发现最初的电路设计有问题。最初为了它的开关管输出的效果更好,把24V的地和15V 的地隔开,这就使得MOS管的门极G极相当于后面的S极是悬空的,招致误触发。处理方法是把24V和15V的地接在一同,再次停止实验,电路工作正常。电路衔接正常,但是当参加驅動信号时,MOS管发热,加驅動信号一段时间后,保险丝熔断,再加驅動信号时,保险丝直接熔断。检查电路发现,驅動信号的高电平占空比过大,招致MOS管的开通时间太长。这个电路的设计使得当MOS管开通时,24V直接加到MOS管的两端,并没有加限流电阻,假如导通时间过长就使得电流过大,MOS管损坏,需求调理信号 的占空比不能太大,普通在 10%~20%左右。

2.3 驅動电路的验证

为了验证驅動电路的可行性,我们用它来驅動串连在一同的晶闸管电路,实验电路图如下图8所示,互相串联的晶闸管再反并联后,接入带有感抗的电路中,电源是 380V 的交流电压源。

mos管

在这个电路中,晶闸管Q2、Q8的触发信号经过G11和G12接入,而Q5、Q11的触发信号经过G21、G22接入。在驅動信号接到晶闸管门级之前,为了进步晶闸管的抗干扰才能,在晶闸管的门极衔接一个电阻和电容。这个电路接电感后,再投入到主电路中。经过控制晶闸管的导通角,来控制大电感投入到主电路的时间, 上下电路的触发信号的相角相差半个周期,上路的 G11 和G12是一路的触发信号,经过前级的驅動电路中的隔离变压器互相隔离,下路的 G21 和 G22同样也是隔离的同一路信号。 实验波形图如图 9 所示,两路的触发信号触发反并联晶闸管电路正反导通,上面的 1 通道接的是整个晶闸管电路的电压,在晶闸管导通时它变为 0,而 2、3 通道接的是晶闸管电路上下路的触发信号,4 通道测得是流过整个晶闸管的电流。
2 通道测得有正向的触发信号时,触发上面的晶闸管导通,电流为正;3 通道测得有反向的触发信号时,触发下路的晶闸管导通,电流为负。

3.IGBT 驅動电路的研讨IGBT 对驅動电路有许多特殊的请求,概括起来有:

(1)驅動电压脉冲的上升率和降落率要充沛大。IGBT 开通时, 前沿峻峭的栅极电压加到栅极 G 与发射极 E 之间,使其快速开通,到达开通时间最短,以减小开通损耗。在 IGBT 关断的时分,其栅极驅動电路要提供应 IGBT 降落沿很陡的关断电压,并给IGBT 的栅极 G 与发射极 E 之间施加恰当的反向偏置电压,以使 IGBT 快速关断,缩短关断时间,减小关断损耗。

(2)IGBT 导通后,栅极驅動电路提供应 IGBT的驅動电压和电流要有足够的幅度,使 IGBT 的功率输出总处于饱和状态。瞬时过载时,栅极驅動电路提供的驅動功率要足以保证 IGBT 不退出饱和区而损坏。

(3) IGBT 的栅极驅動电路提供应 IGBT 的正驅動电压要取适宜的值,特别是在有短路工作过程的设备中运用 IGBT 时,其正向驅動电压更应选择所需求的最小值。开关应用的 IGBT 的栅极电压应以10V~15V 为最佳。

(4)IGBT 的关断过程中,栅-射极间施加的负偏压有利于 IGBT 的快速关断,但也不宜取的过大,普通取-2V 到 -10V。
(5)在大电感负载的状况下,过快的开关反而是有害的,大电感负载在 IGBT 的快速开通和关断时,会产生高频且幅值很高而宽度很窄的尖峰电压 Ldi/dt,该尖峰不易吸收,容易形成器件损坏。

(6)由于 IGBT 多用于高压场所,所以驅動电路应与整个控制电路在电位上严厉隔离,普通采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。
早期 IGBT 驅動电路引见早期的 IGBT 栅极驅動电路为分立式的栅极驅動电路如下图所示:图 10 为直接驅動式栅极驅動电路,图 11 为变压器隔离式栅极驅動电路,而图 12 为光耦隔离式栅极驅動电路。

驅動电路现状
随着集成技术的开展,目前 IGBT 的栅极驅動电路多采用集成芯片控制。控制方式主要还是三种:

(1)直接觸發式輸入和輸出信號之間無電氣隔離。

(2)变压器隔离驅動

输入和输出信号之间采用脉冲变压器隔离,隔离电压等级可达 4000V,
有以下 3 种办法
无源办法:用变压器次级的输出直接驅動 IGBT  (如下图 14) ,因受伏秒均衡的限制,只适用于占空比变化不大的场所。有源办法:变压器只提供隔离信号,在次级另有整形放大电路来驅動 IGBT,驅動波形较好,但需求单独提供辅助电源。

自给电源法:脉冲变压器既用于传送驅動能量又用于高频调制解调技术传输逻辑信号,分为调制型自给电源办法和分时技术自给电源,其中调制型自给电源用整流桥来产生所需工作电源,用高频调制解调技术来传送逻辑信号.

3.晶闸管与 IGBT 驅動的联络与区别

晶闸管和 IGBT 的驅動电路之间有区别也有相似的中央。首先,两者的驅動电路都需求将开关器件与控制电路互相隔离, 以免高压电路对控制电路有影响。然后,两者都是经过给门极施加驅動信号,来触发开关器件导通的。所不同的是晶闸管驅動需求的是电流信号,而 IGBT 需求的是电压信号。在开关器件导通以后,晶闸管的门极就失去了控制造用,若要关断晶闸管,则要在晶闸管两端加反向电压;而 IGBT 的关断则只需求在门极加负的驅動电压,来关断 IGBT。

4.結論
本文主要分为两局部叙说,第一局部对晶闸管驅動电路的请求停止了叙说, 设计了相对应的驅動电路,并且将设计的电路应用于实践的晶闸管电路中,经过仿真和实验考证了驅動电路的可行性,对在实验的过程中所遇到的问题停止了剖析和处理。第二局部主要论述了 IGBT 关于驅動电路的请求,并在此根底上进一步引见了目前常用到的 IGBT 的一些驅動电路,而且对其中的主要的光耦隔离驅動电路停止了仿真和实验,考证了驅動电路的可行性。

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