引言本文

功率開(kāi)關(guān)器件在電力電子設備中占領(lǐng)著(zhù)中心位置，它的牢靠工作是整個(gè)安裝正常運轉的根本條件。功率開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)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(gè)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(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件。簡(jiǎn)而言之，驅動(dòng)電路的根本任務(wù)就是將控制電路傳來(lái)的信號，轉換為加在器件控制端和公共端之間的能夠使其導通和關(guān)斷的信號。

同樣的mos管功率器件，采用不同的驅動(dòng)電路將得到不同的開(kāi)關(guān)特性。采用性能良好的驅動(dòng)電路能夠使功率開(kāi)關(guān)器件工作在比擬理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 同時(shí)縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，對安裝的運轉效率，牢靠性和平安性都有重要的意義。因而驅動(dòng)電路的優(yōu)劣直接影響主電路的性能，驅動(dòng)電路的合理化設計顯得越來(lái)越重要。晶閘管體積小，重量輕，效率高，壽命長(cháng)，運用便當，能夠便當的停止整流和逆變，且能夠在不改動(dòng)電路構造的前提下，改動(dòng)整流或逆變電流的大小。IGBT 是 mosFET 和 GTR的復合器件，它具有開(kāi)關(guān)速度快、熱穩定性好、驅動(dòng)功率小和驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特性，又具有通態(tài)壓降小、耐壓高和接受電流大等優(yōu)點(diǎn)。IGBT作為主流的功率輸出器件， 特別是在大功率的場(chǎng)所，曾經(jīng)被普遍的應用于各個(gè)范疇。

mos管開(kāi)關(guān)器件理想的驅動(dòng)電路應滿(mǎn)足以下請求：

(1)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，驅動(dòng)電路可以提供快速上升的基極電流，使得開(kāi)啟時(shí)有足夠的驅動(dòng)功率，從而減小開(kāi)通損耗。

(2)開(kāi)關(guān)管導通期間，mos驅動(dòng)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(tài)，保證比擬低的導通損耗。為減小存儲時(shí)間，器件關(guān)斷前應處于臨界飽和狀態(tài)。

(3)關(guān)斷時(shí)，驅動(dòng)電路應提供足夠的反向基極驅動(dòng)，以疾速的抽出基區的剩余載流子，減小存儲時(shí)間;　　并加反偏截止電壓，使集電極電流疾速降落以減小降落時(shí)間。當然，晶閘管的關(guān)斷主要還是靠反向陽(yáng)極壓降來(lái)完成關(guān)斷的。
目前來(lái)說(shuō)，關(guān)于晶閘管的驅動(dòng)用的比擬多的只是經(jīng)過(guò)變壓器或者光耦隔離來(lái)把低壓端與高壓端隔開(kāi)，再經(jīng)過(guò)轉換電路來(lái)驅動(dòng)晶閘管的導通。而關(guān)于 IGBT來(lái)說(shuō)目前用的較多的是 IGBT 的驅動(dòng)模塊，也有集成了 IGBT、 系統自維護、 自診斷等各個(gè)功用模塊的 IPM。
本文針對我們所用到的晶閘管，設計實(shí)驗驅動(dòng)電路，并停止實(shí)考證明了它能夠驅動(dòng)晶閘管。而關(guān)于 IGBT的驅動(dòng)，本文主要引見(jiàn)了目前主要的幾種 IGBT 的驅動(dòng)方式，以及與它們相對應的驅動(dòng)電路，并對最常用的光耦隔離的驅動(dòng)方式停止了仿真實(shí)驗。

2.晶閘管驅動(dòng)電路的研討 普通來(lái)說(shuō)晶閘管的工作狀況是：

(1)晶閘管接受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門(mén)極接受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。

(2)晶閘管接受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門(mén)極接受正向電壓的狀況下晶閘管才導通。

(3)晶閘管在導通狀況下，只需有一定的正向陽(yáng)極電壓，不管門(mén)極電壓如何，晶閘管堅持導通，即晶閘管導通后，門(mén)極失去作用?！　?4)晶閘管在導通狀況下，當主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。我們選用的是晶閘管是 TYN1025，它的耐壓是600 到 1000V，電流最大到達 25A。它所需求的門(mén)級驅動(dòng)電壓是 10 到 20V，驅動(dòng)電流是 4 到 40mA。而它的維持電流是 50mA，擎住電流是 90mA。無(wú)論是 DSP 還是 CPLD 所發(fā)出的觸發(fā)信號的幅值只要 5V。首先，先把只要 5V 的幅值轉換成 24V，然后經(jīng)過(guò)一個(gè) 2：1 的隔離變壓器把 24V 的觸發(fā)信號轉換成 12V 的觸發(fā)信號，同時(shí)完成了上下壓隔離的功用。

實(shí)驗電路的設計與剖析

實(shí)驗設計總電路圖如下圖 1 所示首先是升壓電路，由于后級的隔離變壓器電路中的 MOS 管器件需求 15V 的觸發(fā)信號，所以，需求先把幅值 5V 的觸發(fā)信號轉成 15V 的觸發(fā)信號，經(jīng)過(guò) MC14504 把 5V 的信號， 轉換成為 15V的信號，然后再經(jīng)過(guò) CD4050 對輸出的 15V 驅動(dòng)信號整形， 實(shí)驗的波形圖如圖 3 所示， 通道 2 接的是 5V 輸入信號，通道 1 接的是輸出的 15V 的觸發(fā)信號。

第二局部是隔離變壓器電路，實(shí)驗電路圖如圖 4所示，該電路的主要功用是：把 15V 的觸發(fā)信號，轉換成為 12V 的觸發(fā)信號去觸發(fā)后面的晶閘管的導通，并且做到 15V 的觸發(fā)信號與后級之距離。

該電路的工作原理是：由于 MOS 管 IRF640 的驅動(dòng)電壓為 15V，所以，首先是在 J1 處接入 15V 的方波信號，經(jīng)過(guò)電阻 R4 接穩壓管 1N4746，使觸發(fā)電壓穩定，也使得觸發(fā)電壓不至于過(guò)高，燒壞 MOS 管，然后接到 MOS 管 IRF640(其實(shí)這就是個(gè)開(kāi)關(guān)管，控制后端的開(kāi)通和關(guān)斷) ， MOS 管的工作圖如下圖 5， 經(jīng)過(guò)控制驅動(dòng)信號的占空比， 能夠控制 MOS 管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。當 MOS 管開(kāi)通時(shí)，相當于它的 D 極接地，關(guān)斷時(shí)是斷開(kāi)的，經(jīng)過(guò)后級電路相當于接 24V。而變壓器就是經(jīng)過(guò)電壓的變化來(lái)使右端輸出 12V 的信號。變壓器右端接一個(gè)整流橋，然后從接插件 X1 輸出 12V的信號。下圖 6 為該實(shí)驗電路的仿真波形圖，為了便當看清，我把 B 通道的正負引腳顛倒，測出圖中的電壓為負的，不過(guò)幅值是正確的。圖 7 是該電路的實(shí)驗波形圖，與仿真波形圖一樣。

實(shí)驗過(guò)程中遇到的問(wèn)題

首先，開(kāi)端上電時(shí)，保險絲忽然熔斷，后來(lái)查電路時(shí)發(fā)現最初的電路設計有問(wèn)題。最初為了它的開(kāi)關(guān)管輸出的效果更好，把24V的地和15V 的地隔開(kāi)，這就使得MOS管的門(mén)極G極相當于后面的S極是懸空的，招致誤觸發(fā)。處理方法是把24V和15V的地接在一同，再次停止實(shí)驗，電路工作正常。電路銜接正常，但是當參加驅動(dòng)信號時(shí)，MOS管發(fā)熱，加驅動(dòng)信號一段時(shí)間后，保險絲熔斷，再加驅動(dòng)信號時(shí)，保險絲直接熔斷。檢查電路發(fā)現，驅動(dòng)信號的高電平占空比過(guò)大，招致MOS管的開(kāi)通時(shí)間太長(cháng)。這個(gè)電路的設計使得當MOS管開(kāi)通時(shí)，24V直接加到MOS管的兩端，并沒(méi)有加限流電阻，假如導通時(shí)間過(guò)長(cháng)就使得電流過(guò)大，MOS管損壞，需求調理信號　的占空比不能太大，普通在 10%~20%左右。

2.3 驅動(dòng)電路的驗證

為了驗證驅動(dòng)電路的可行性，我們用它來(lái)驅動(dòng)串連在一同的晶閘管電路，實(shí)驗電路圖如下圖8所示，互相串聯(lián)的晶閘管再反并聯(lián)后，接入帶有感抗的電路中，電源是 380V 的交流電壓源。

在這個(gè)電路中，晶閘管Q2、Q8的觸發(fā)信號經(jīng)過(guò)G11和G12接入，而Q5、Q11的觸發(fā)信號經(jīng)過(guò)G21、G22接入。在驅動(dòng)信號接到晶閘管門(mén)級之前，為了進(jìn)步晶閘管的抗干擾才能，在晶閘管的門(mén)極銜接一個(gè)電阻和電容。這個(gè)電路接電感后，再投入到主電路中。經(jīng)過(guò)控制晶閘管的導通角，來(lái)控制大電感投入到主電路的時(shí)間， 上下電路的觸發(fā)信號的相角相差半個(gè)周期，上路的 G11 和G12是一路的觸發(fā)信號，經(jīng)過(guò)前級的驅動(dòng)電路中的隔離變壓器互相隔離，下路的 G21 和 G22同樣也是隔離的同一路信號。 實(shí)驗波形圖如圖 9 所示，兩路的觸發(fā)信號觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管電路正反導通，上面的 1 通道接的是整個(gè)晶閘管電路的電壓，在晶閘管導通時(shí)它變?yōu)?0，而 2、3 通道接的是晶閘管電路上下路的觸發(fā)信號，4 通道測得是流過(guò)整個(gè)晶閘管的電流。
2 通道測得有正向的觸發(fā)信號時(shí)，觸發(fā)上面的晶閘管導通，電流為正;3 通道測得有反向的觸發(fā)信號時(shí)，觸發(fā)下路的晶閘管導通，電流為負。

3.IGBT 驅動(dòng)電路的研討IGBT 對驅動(dòng)電路有許多特殊的請求，概括起來(lái)有：

(1)驅動(dòng)電壓脈沖的上升率和降落率要充沛大。IGBT 開(kāi)通時(shí)， 前沿峻峭的柵極電壓加到柵極 G 與發(fā)射極 E 之間，使其快速開(kāi)通，到達開(kāi)通時(shí)間最短，以減小開(kāi)通損耗。在 IGBT 關(guān)斷的時(shí)分，其柵極驅動(dòng)電路要提供應 IGBT 降落沿很陡的關(guān)斷電壓，并給IGBT 的柵極 G 與發(fā)射極 E 之間施加恰當的反向偏置電壓，以使 IGBT 快速關(guān)斷，縮短關(guān)斷時(shí)間，減小關(guān)斷損耗。

(2)IGBT 導通后，柵極驅動(dòng)電路提供應 IGBT的驅動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使 IGBT 的功率輸出總處于飽和狀態(tài)。瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，柵極驅動(dòng)電路提供的驅動(dòng)功率要足以保證 IGBT 不退出飽和區而損壞。

（3) IGBT 的柵極驅動(dòng)電路提供應 IGBT 的正驅動(dòng)電壓要取適宜的值，特別是在有短路工作過(guò)程的設備中運用 IGBT 時(shí)，其正向驅動(dòng)電壓更應選擇所需求的最小值。開(kāi)關(guān)應用的 IGBT 的柵極電壓應以10V～15V 為最佳。

(4)IGBT 的關(guān)斷過(guò)程中，柵-射極間施加的負偏壓有利于 IGBT 的快速關(guān)斷，但也不宜取的過(guò)大，普通取-2V 到 -10V。
(5)在大電感負載的狀況下，過(guò)快的開(kāi)關(guān)反而是有害的，大電感負載在 IGBT 的快速開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì )產(chǎn)生高頻且幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓 Ldi/dt，該尖峰不易吸收，容易形成器件損壞。

(6)由于 IGBT 多用于高壓場(chǎng)所，所以驅動(dòng)電路應與整個(gè)控制電路在電位上嚴厲隔離，普通采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。
早期 IGBT 驅動(dòng)電路引見(jiàn)早期的 IGBT 柵極驅動(dòng)電路為分立式的柵極驅動(dòng)電路如下圖所示：圖 10 為直接驅動(dòng)式柵極驅動(dòng)電路，圖 11 為變壓器隔離式柵極驅動(dòng)電路，而圖 12 為光耦隔離式柵極驅動(dòng)電路。

驅動(dòng)電路現狀
隨著(zhù)集成技術(shù)的開(kāi)展，目前 IGBT 的柵極驅動(dòng)電路多采用集成芯片控制?？刂品绞街饕€是三種：

(1)直接觸發(fā)式輸入和輸出信號之間無(wú)電氣隔離。

(2)變壓器隔離驅動(dòng)

輸入和輸出信號之間采用脈沖變壓器隔離，隔離電壓等級可達 4000V，
有以下 3 種辦法
無(wú)源辦法：用變壓器次級的輸出直接驅動(dòng) IGBT　　(如下圖 14) ，因受伏秒均衡的限制，只適用于占空比變化不大的場(chǎng)所。有源辦法：變壓器只提供隔離信號，在次級另有整形放大電路來(lái)驅動(dòng) IGBT，驅動(dòng)波形較好，但需求單獨提供輔助電源。

自給電源法：脈沖變壓器既用于傳送驅動(dòng)能量又用于高頻調制解調技術(shù)傳輸邏輯信號，分為調制型自給電源辦法和分時(shí)技術(shù)自給電源，其中調制型自給電源用整流橋來(lái)產(chǎn)生所需工作電源，用高頻調制解調技術(shù)來(lái)傳送邏輯信號.

3.晶閘管與 IGBT 驅動(dòng)的聯(lián)絡(luò )與區別

晶閘管和 IGBT 的驅動(dòng)電路之間有區別也有相似的中央。首先，兩者的驅動(dòng)電路都需求將開(kāi)關(guān)器件與控制電路互相隔離， 以免高壓電路對控制電路有影響。然后，兩者都是經(jīng)過(guò)給門(mén)極施加驅動(dòng)信號，來(lái)觸發(fā)開(kāi)關(guān)器件導通的。所不同的是晶閘管驅動(dòng)需求的是電流信號，而 IGBT 需求的是電壓信號。在開(kāi)關(guān)器件導通以后，晶閘管的門(mén)極就失去了控制造用，若要關(guān)斷晶閘管，則要在晶閘管兩端加反向電壓;而 IGBT 的關(guān)斷則只需求在門(mén)極加負的驅動(dòng)電壓，來(lái)關(guān)斷 IGBT。

4.結論
本文主要分為兩局部敘說(shuō)，第一局部對晶閘管驅動(dòng)電路的請求停止了敘說(shuō)， 設計了相對應的驅動(dòng)電路，并且將設計的電路應用于實(shí)踐的晶閘管電路中，經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗考證了驅動(dòng)電路的可行性，對在實(shí)驗的過(guò)程中所遇到的問(wèn)題停止了剖析和處理。第二局部主要論述了 IGBT 關(guān)于驅動(dòng)電路的請求，并在此根底上進(jìn)一步引見(jiàn)了目前常用到的 IGBT 的一些驅動(dòng)電路，而且對其中的主要的光耦隔離驅動(dòng)電路停止了仿真和實(shí)驗，考證了驅動(dòng)電路的可行性。

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