第5章-开关管的驱动缓冲和保护电路

PowerElectronics第5章开关管的驱动、缓冲和保护电路主要内容：5.1概述5.2驱动电路5.3缓冲电路5.4保护电路PowerElectronics5.1概述（1）驱动电路•驱动电路是连接控制电路和功率开关器件的桥梁，它将控制信号放大到驱动功率开关所要求的水平；有时候还要求驱动电路的输入输出端是电气隔离的。•功率晶体管的开关特性与驱动电路的性能密切相关。同样的功率开关，采用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。•设计优良的驱动电路能改善功率晶体管的开关特性，减小开关损耗，提高整机的效率及功率开关器件的可靠性，从而提高变换器的性能。PowerElectronics（2）缓冲电路•功率开关器件的可靠性主要取决于在工作中所承受的电的和热的应力。•开关器件开通和关断的瞬间过程中，承受很大的du/dt或di/dt，在电路寄生电感和寄生电容的作用下，将使开关器件承受很高的电流(Cdu/dt)或电压（Ldi/dt）应力；•器件在开通和关断的过程中电流和电压波形交叠，产生很大的瞬时功耗（开关损耗）。•缓冲电路(或称吸收电路)作用：减小du/dt或di/dt，降低开关器件上的电压或电流峰值以及开关损耗，将其开关瞬间过程限制在器件的安全工作区内。PowerElectronics（3）保护电路•功率器件和电路在工作过程中，由于电路内部或外部的原因，可能发生过流、过压、过热等故障。•检测出故障状态，关断护开关管，则可以避免开关管和电路的损坏、保证工作安全。PowerElectronics5.2驱动电路5.2.1晶闸管的触发电路5.2.2双极性晶体管的驱动5.2.3MOSFET和IGBT的驱动5.2.4驱动电路中的隔离技术PowerElectronics晶闸管是电流型触发器件，对于门极触发信号的要求：1）电平或脉冲信号2）有一定的宽度，即要维持到阳极电流大于掣住电流以后才能撤销，以保证触发可靠。3）有足够的电流和电压，但也不能过功率，即必须工作在晶闸管门极伏安特性的可靠触发区和安全工作区内。需要加快开通时，驱动电流应具有陡峭的上升沿并有一定过冲。4）与主电路电源电压必须同步5）移相范围须满足变流装置的要求，达到要求的调压范围。5.2.1晶闸管的触发电路PowerElectronics图5-1反相放大触发电路(a)电平触发(b)脉冲触发驱动电流Ig≈UD/RgigigPowerElectronics图5-2强触发电路及触发电流波形(a)强触发电路(b)工作波形igigPowerElectronics1.对驱动电路的要求电流性控制器件1）晶体管开通时，驱动电路提供的基极电流应具有陡峭的上升沿，并有一定的过冲，以加速开通的过程2）导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证功率管处于饱和导通状态，使功率管的饱和压降较低，以保证较低的导通损耗。但是，为减小存储时间，希望在功率管将要关断前处于临界饱和状态。3）关断瞬间，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以迅速抽出基区的剩余载流子，减小存储时间5.2.2双极性晶体管（BJT）的驱动PowerElectronics图5-3BJT的最佳驱动电流波形PowerElectronics2.恒流驱动电路图5-4反相放大驱动电路Q的驱动电流Ib≈UD/R1（1）单管驱动PowerElectronics图5-5带加速电容的驱动电路（2）加速电容C1PowerElectronics1）Q1变为截止的瞬间，C1电压不能突变、电阻R2被短路，最大驱动电流Ibm=UD/R12）ib随C1充电而减小。Q稳定导通期间ib=UD/(R1＋R2)此时C1端电压uc＝UDR2/(R1＋R2)3）Q1再次导通时，C1反向放电、uc反向加在Q的b-e结，为反向抽流提供反偏电压，加速Q关断。PowerElectronics图5-6推挽驱动电路（3）推挽驱动ui为高电平时，Q1导通、Q2截止，UD通过Q1和R1为功率管Q提供基极驱动电流、令Q导通；ui为低电平时，Q2导通而Q1截止，-UD为功率管Q基极电流反向抽流提供反偏电压，使其迅速关断。关断速度满足要求时可以不用负电源，即-UD为零PowerElectronics图5-7抗饱和电路（4）抗饱和电路VD1、VD2是抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供通路PowerElectronicsUceUbe则UAUC因此VD2导通，且UD2+Uce=UD1+UVbe从而Uce＝Ube设UD1=UD1=UD3当饱和较深时所以，Q集电结零偏（Ucb＝0）、临界饱和，多余的驱动电流通过VD2和Q的c-e流通PowerElectronicsMOSFET和IGBT属于场控器件，即电压型控制器件，它们的开通和关断过程驱动实际上是其等效输入电容的充放电过程5.2.3MOSFET和IGBT的驱动PowerElectronics（1）基本驱动电路•PWMIC有较强的驱动能力•R1为限流电阻•R2使为了防止静电荷积累造成g-s过压击穿；•稳压管用于防止g-s正向和反向驱动电压过高图5-8PWMIC直接驱动R2PowerElectronics（2）推挽驱动在所需驱动电流较大时，通常在PWMIC芯片的输出端扩展一级推挽驱动图5-3推挽驱动也适用于场控器件PowerElectronics（3）专用驱动芯片采用专用的MOSFET或IGBT驱动芯片可以简化设计、改善驱动性能PowerElectronics图5-9典型的光耦器件(a)内部等效电路(b)典型应用电路5.2.4驱动电路中的隔离技术（1）光耦隔离（同相驱动）PowerElectronics图5-10一种变压器隔离驱动电路（2）驱动变压器隔离正向驱动u2=(N2/N1)(UD-uc1)反向抽流u2=-(N2/N1)uc1u2uc1=UDDPowerElectronics5.3.1RCD关断缓冲电路5.2.2RLD开通缓冲电路5.2.3组合缓冲电路5.2.4无损缓冲电路5.3缓冲电路PowerElectronics缓冲电路主要限制开关器件在开通和关断瞬间过程所承受的的di/dt、du/dt、电压应力、电流应力和功率应力。以Buck变换器为例，分析开关管开通和关断过程中的电流电压变化以及缓冲电路的工作原理。PowerElectronics图5-11Buck变换器(a)电路原理图(b)等效电路原理图5.3.1RCD关断缓冲电路（1）关断过程分析分析时假设：•电路已进入稳态•忽略Q和VD的导通压降•假设电感足够大、可以忽略电感电流纹波，即iL等效为恒流源ILPowerElectronics1)t＝0时，开关管Q处于导通状态，续流管VD处于关断状态iQ＝IL，uds＝02)t＝t1时，令Q的驱动电压为零，Q开始关断，经过存储时间tf后（t2=t1+tf），iQ开始下降。由图5-11b节点A电流方程，从t2时刻开始，有：iD=IL-iQ0VD一旦导通则其正向压降迅速下降，即A点电位迅速下降3)t=t3时，VD压降下降到零，uds＝Ui。然后iQ继续下降、iD继续上升。4)t=t4时，iQ降到零，电感电流完全换流到续流管VD、iD＝IL，Q关断、iQ＝0。PowerElectronics图5-12开关管关断过程（无缓冲）a)时域波形PowerElectronics图5-12b)关断负载线1）t1~t2期间，Q工作在A点（导通状态），A点：iQ＝IL，uds＝02）t2~t3期间，Q由A点迅速运动到B点，B点：iQ≈IL，uds＝Ui3）t3~t4期间，Q由B点运动到C点，C点：iQ＝0，uds＝UiC点对应Q关断期间的状态。画出关断过程Q的动态负载线:Q关断过程的动态负载线掠过高损耗区，不安全PowerElectronics图5-13带RCD关断缓冲网络的Buck变换器（2）RCD关断缓冲原理PowerElectronics缓冲原理：1）t＝0时，Q处于导通状态，uC1＝02）t＝t1时令Q开始关断，经过存储时间tf后，iQ开始下降。由于uC1不能突变，因从t2(t2=t1+tf)时刻开始，VD继续承受反压而保持关断，R1被D1短路，所以没有电流流过R1。uD=-(Ui-uds)=-(Ui-UC1)0iC1=IL-iQ+iD,iD=0iC1通过VD1给C1充电。因C1较大，故uC1(uds)缓慢上升PowerElectronics3）t=t3时，iQ下降到零，iC1=IL，uC1继续上升。4）t=t4时，uC1充电到Ui。iC1迅速下降至零，uD由负上升到零，此时开始VD迅速导通续流、即C1电流（IL）迅速换流到VD。当再次令Q开通时，RCD网路被Q短路，C1通过R1和Q放电。Q导通期间，C1完全放电、回到状态1），为下一次关断缓冲做好准备。PowerElectronics图5-14开关管Q关断过程(RCD关断缓冲)(a)C1较大时的时域波形(b)C1较小时的时域波形(c)Q的关断负载线PowerElectronics（3）RCD缓冲电路的参数设计•C1越大，Q关断过程端电压上升越慢、关断损耗越小，但Q导通期间C1的放电时间也越长、Q开通损耗增加；•Q开通时C1放电最大附加电流等于Ui/R1，所以R1不能太小•C1上的电压在Q导通期间必须放电到零，才能在下次关断过程起到缓冲作用，所以R1也不能太大，R1C1≤Tonmin/4，式中Tonmin为最小导通时间。电容C1的能量C1Ui2/2消耗在R1上，因此一个开关周期R1平均功耗PR1=C1Ui2f/2，f为开关频率，据此确定R1的功率定额。Q的关断损耗转移到R1上，整个变换器的效率不一定提高，但Q在关断过程所承受的应力降低、可靠性得以改善。PowerElectronics图5-11b)Buck变换器等效电路原理图5.3.2RLD开通缓冲电路仍以Buck变换器为例，参考图5-11，假设电路已经进入稳态（1）开通过程分析PowerElectronics1)t＝0时刻，开关管Q处于关断状态，iQ＝0，uds＝Ui2)t＝t1时，令Q的驱动电压为高电平，经过延迟时间td后（t2=t1+td），iQ开始上升。由图5-11b节点A电流方程，有iD=IL-iQ续流管VD电流iD随之开始下降，但仍保持导通，故仍有uds＝Ui3)t=t3时，iQ上升到IL、iD下降到0，A点电位开始迅速上升，电感电流完全换流到开关管Q4)t=t4时，A点电位上升到Ui，uds＝0，Q开通过程结束。PowerElectronics图5-15开关管开通过程（无缓冲）a)时域波形0t1t2t3t4tudsiDiQpQ=uds·iQttPowerElectronics图5-15b)开通负载线1）t1~t2期间，Q工作在C点（关断状态）C点：iQ=0，uds=Ui2）t2~t3期间，Q由C点运动到B点，B点：iQ≈IL，uds=Ui3）t3~t4期间，Q由B点迅速运动到A点A点：iQ=IL，uds=0A点对应Q导通期间的状态画出开通过程Q的动态负载线：Q导通过程动态负载线掠过高损耗区，不安全PowerElectronics（2）RLD导通缓冲原理图5-16带RLD关断缓冲网络的Buck变换器R1PowerElectronics1)t＝0时刻，开关管Q处于关断状态，iQ＝0，uds＝Ui2)t＝t1时，令Q导通，经过延迟时间td后（t2=t1+td），iQ（=iL1）开始上升，上升率Q刚开始导通时uds≈Ui，所以iQ从零开始上升、而且上升率接近于零；随着uds下降，iQ上升变快。如果L1较大，则uds下降到零时iQ还没有上升到IL，在此期间，续流管VD仍然导通。缓冲原理：1111LuULudtdidsiLLPowerElectronics3)t=t3时，uds下降到0，之后iQ以最大上升率Ui/L1上升4)t=t4时，iQ上升到IL，VD关断、电流完全换流到QQ导通期间，iQ仍然流过L1；Q再次关断时，VD1和R1为L1提供电流通路，当然，L1两端的感应电势将造成Q的附加电压应力；Q关断期间，L1的储能要完全消耗