GTO驅(qū)動(dòng)電路.doc

門極可關(guān)斷晶閘管GTO驅(qū)動(dòng)電路1.電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是指主電路與控制電路之間的接口，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號(hào)；對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)；對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)；又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。門極可關(guān)斷晶閘管簡(jiǎn)稱GTO, 是一種通過門極來控制器件導(dǎo)通和關(guān)斷的電力半導(dǎo)體器件，它的容量?jī)H次于普通晶閘管，它應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是其門極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不好，常常造成GTO晶閘管的損壞，而門極關(guān)斷技術(shù)應(yīng)特別予以重視。門極可關(guān)斷晶閘管GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。2.GTO驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求 由于GTO是電流驅(qū)動(dòng)型，所以它的開關(guān)頻率不高。GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。用理想的門極驅(qū)動(dòng)電流去控制GTO 的開通和關(guān)斷過程， 以提高開關(guān)速度，減少開關(guān)損耗。GTO要求有正值的門極脈沖電流，觸發(fā)其開通；但在關(guān)斷時(shí)，要求很大幅度的負(fù)脈沖電流使其關(guān)斷。因此全控器件GTO的驅(qū)動(dòng)器比半控型SCR復(fù)雜。門極電路的設(shè)計(jì)不但關(guān)系到元件的可靠導(dǎo)通和關(guān)斷, 而且直接影響到元件的開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗, 工作頻率、最大重復(fù)可控陽極電流等一系列重要指標(biāo)。門極電路包括門極開通電路和門極關(guān)斷電路。GTO對(duì)門極開通電路的要求:GTO的掣住電流比普通晶閘管大得多, 因此在感性負(fù)載的情況下, 脈沖寬度要大大加寬。此外, 普通晶閘管的通態(tài)壓降比較小, 當(dāng)其一旦被觸發(fā)導(dǎo)通后, 觸發(fā)電流可以完全取消, 但對(duì)于GTO, 即使是阻性負(fù)載, 為了降低其通態(tài)壓降, 門極通常仍需保持一定的正向電流, 因此, 門極電路的功耗比普通品閘管的觸發(fā)電路要大的多。對(duì)門極關(guān)斷電路的要求：GTO對(duì)作為關(guān)斷脈沖的負(fù)向門極電流有很高的要求。負(fù)向門極電流的幅值，斜率直接影響到元件的元斷能力、關(guān)斷時(shí)間及關(guān)斷損耗。要求門極關(guān)斷回路有足夠大的動(dòng)力源, 回路阻抗和感抗非常小，用作門極關(guān)斷回路的開關(guān)元件要有很小的內(nèi)阻, 較寬的頻帶和較好的承受沖擊電流的能力。3GTO的普通驅(qū)動(dòng)電路下圖1為普通的GTO驅(qū)動(dòng)電路原理圖。當(dāng)輸入信號(hào)為正脈沖時(shí)，光耦合器B導(dǎo)通，三極管V1截止，V2和V3導(dǎo)通，電源E1經(jīng)R7、V3及C3(R8)觸發(fā)GTO導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號(hào)為零脈沖時(shí)，光耦合器B截止，V1導(dǎo)通，V2和V3截止。關(guān)斷電路中的V4導(dǎo)通，V5截止，晶閘管VT經(jīng)R13和R14獲得觸發(fā)信號(hào)并導(dǎo)通，電源E2經(jīng)VT、GTO、R8、R15形成門極負(fù)電流使GTO關(guān)斷。電路中C1到C5為加速電容。圖1 門極可關(guān)斷晶閘管驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用這種電路驅(qū)動(dòng)GTO時(shí)，容易造成大容量晶閘管內(nèi)部數(shù)個(gè)并聯(lián)的小晶閘管開通過程中先是局部幾個(gè)單元開通，然后等離子體在整個(gè)芯片內(nèi)向邊沿?cái)U(kuò)展。最初較高的電流上升率可能使最先導(dǎo)通的區(qū)域過載而導(dǎo)致器件損壞，因此必須采用較大的抑制電感來抑制電流上升率。同時(shí)，為了獲得合理的關(guān)斷增益，對(duì)于GTO 晶閘管響應(yīng)時(shí)間來說只能施加較小的門極電流，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)時(shí)間過長(zhǎng)(20us)，造成關(guān)斷不同步，du/ dt耐量低, 并需要體積龐大的吸收電容。因此，這種電路的最高開關(guān)頻率一般限制在300500Hz。下面介紹新型的“硬驅(qū)動(dòng)門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。4.“硬驅(qū)動(dòng)”門極驅(qū)動(dòng)技術(shù)所謂GTO晶閘管的“硬驅(qū)動(dòng)”是指在GTO在關(guān)斷過程中的短時(shí)間內(nèi)，給其內(nèi)陰極加以上升率di/dt及幅值都很大的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖2是硬驅(qū)動(dòng)門極單元的典型電路。它可分成兩部分，上部分電路控制開通過程，下部分電路控制關(guān)斷過程, 且兩部分獨(dú)立工作。電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使其電感最小值化，LG為雜散電感。其工作過程分析如下：在開通期間，電容通過開關(guān)放電，在約250ns內(nèi)產(chǎn)生1000A的硬驅(qū)動(dòng)門極電流。門極電流通過二極管維持在高水平，然后通過由5V電源維持。在較大門極電流脈沖作用下，GTO晶閘管等效原理電路中N-P-N晶體管開通，N發(fā)射區(qū)注入電子，并輸送到N基區(qū)，產(chǎn)生相應(yīng)空穴注入。空穴電荷區(qū)開始崩縮，陰極電壓在100 ns內(nèi)下降到VA 200V。此時(shí)，主電流仍很小，這就意味著晶體管作用強(qiáng)于晶閘管作用。在關(guān)斷期間，電容C2通過開關(guān)吸收數(shù)千安培的大電流脈沖，電流脈沖的上升時(shí)間約為1.5us。另外，開關(guān)用來維持器件的阻斷狀態(tài)。圖2 新型“硬驅(qū)動(dòng)”門極單元簡(jiǎn)圖5.小結(jié)GTO 晶閘管既具有普通晶閘管的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有GT