今天我們聊一聊電力電子器件應用的共性--驅動、保護、串并聯...

1.驅動

談到功率半導體器件，出來不可控的，其他的應該都涉及到主動開關吧，那怎么開怎么關呢？這就是驅動，電力電子主電路與控制電路之間的接口。良好的驅動電路使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。

驅動電路的基本任務就是，按控制目標的要求給器件施加開通或關斷的信號(對半控型器件只需提供開通控制信號；對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號)。

一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔離。

?光隔離一般采用光耦合器：由發光二極管和光敏晶體管組成，封裝在一個外殼內。大致分為普通、高速和高傳輸比三種類型。

?磁隔離的元件通常是脈沖變壓器：當脈沖較寬時，為避免鐵心飽和，常采用高頻調制和解調的方法。

①晶閘管的觸發電路

產生符合要求的門極觸發脈沖， 保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通，往往還包括對其觸發時刻進行控制的相位控制電路。

觸發電路應滿足以下幾點要求：

?觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，比如對感性和反電動勢負載的變流器 應采用寬脈沖或脈沖列觸發；

?觸發脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達1~2A/s；

?觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可 靠觸發區域之內；

?應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。

②常見的晶閘管觸發電路

由V1、V2構成的脈沖放大環節和脈沖變壓器TM和附屬電路構成的脈沖輸出環節兩部分組成。當V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發脈沖；VD1和R3是為了V1、V2由導通變為截止時脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設的。為了獲得觸發脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它 電路環節。

③電流驅動型器件的驅動電路

我們知道，GTO和GTR是電流驅動型器件。那它們的驅動電路一般是怎么樣的呢？

GTO

推薦的GTO門極電壓電流波形

開通控制與普通晶閘管相似，但對觸發脈沖前沿的幅值和 陡度要求高，且一般需在整個導通期間施加正門極電流，使GTO關斷需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高。GTO一般用于大容量電路的場合，其驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動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。

典型的直接耦合式驅動電路如下：

可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈 沖前沿；缺點是功耗大，效率 較低。電路的電源由高頻電源經二極管整流后提供，VD1和C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+15V電壓，VD4和C4提供-15V電壓。V1 開通時，輸出正強脈沖；V2開通時，輸出正脈沖平頂部分；V2關斷而V3開通時輸出負脈沖；V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓。

GTR

理想的GTR基極驅動電流波形

開通的基極驅動電流應使其處于準飽和導通狀態，使之不進入放大區和深飽和區。關斷時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗，關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。

GTR的一種驅動電路如下：

包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。VD2和VD3構成貝克箝位電路，是一種抗飽和電路，可使GTR導通時處于臨界飽和狀態；C2為加速開通過程的電容，開通時R5被C2短路，這樣可以實現驅動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。

④電壓驅動型器件的驅動電路

電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路具有較小的輸出電阻；使電力MOSFET開通的柵源極間驅動電壓一般取10~15V，使IGBT開通的柵射極間驅動電壓一般取15~20V；關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數十歐左右） 可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應隨被驅動器件電流額定值的增大而減小。

電力MOS的一種驅動電路：

包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分；當無輸入信號時高速放大器A輸出負電平，V3導通輸出負驅動電壓，當有輸入信號時A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓。

IGBT多采用混合集成電路，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）。當然發展至今已經涌現出各式各樣的驅動芯片了，大家實際工作中可以慢慢了解和積累。

2.保護

圍繞著功率半導體設計時，保護這塊的重視程度估計是很大的，它直接關系到器件的可靠性，以及產品的可靠性和壽命，今天我們簡單聊一下過電壓、過電流和緩沖電路。

①過電壓

過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。

外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因，包括

?操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓。

?雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。

內因過電壓主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程，包括

?換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。

?關斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件 兩端感應出的過電壓。

F--避雷器

D--變壓器靜電屏蔽層

C--靜電感應過電壓抑制電容

RC1--閥側浪涌過電壓抑制用RC電路

RC2--閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路

RV--壓敏電阻過電壓抑制器

RC3--閥器件換相過電壓抑制用RC電路

RC4--直流側RC抑制電路

RCD--閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路

過電壓抑制措施及配置位置

?各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種；

?RC3 和RCD為抑制內因過電壓的措施。

?抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路；

?采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。

②過電流

過電流分過載和短路兩種情況。

過電流保護措施及其配置位置如下：

快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護，過電流繼電器整定 在過載時動作。

快速熔斷器（簡稱快熔）：是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。選擇快熔時應考慮：

▲電壓等級應根據熔斷后快熔實際承受的電壓來確定；

▲電流容量應按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定；

▲快熔的I2t值應小于被保護器件的允許I2t值；

▲為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間--電流特性。

快熔對器件的保護方式可分為全保護和短路保護兩種。

全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。

短路保護：快熔只在短路電流較大的區域起保護作用。

對重要的且易發生短路的晶閘管設備，或全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環節，器件對電流的響應是最快的。

③緩沖電路

緩沖電路（Snubber Circuit）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。

?分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路

關斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。

開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。

?還可分為耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路

耗能式緩沖電路：緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。

饋能式緩沖電路：緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，也稱無損吸收電路。

而我們通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，而將開通緩沖電路區別叫做di/dt抑制電路。

下面是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖：

在無緩沖電路的情況下， di/dt很大，關斷時du/dt很大， 并出現很高的過電壓，如下圖所示：

在有緩沖電路的情況下，V開通時，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因為Li的作用，iC的上升速度減慢；V關斷時，負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓。因為關斷時電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會出現一定的過電壓。

關斷過程：

無緩沖電路時，uCE迅速上升，負載線從A移動到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移動到C。

有緩沖電路時，由于Cs的分流使iC在uCE開始上升的同時就下降，因此負載線經過D到達C。負載線在到達B時很可能超出安全區，使V受到損壞，而負載線ADC是很安全的，且損耗小。

緩沖電路的另外兩種形式：

RC緩沖電路 放電阻止型RCD緩沖電路

RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件。

3.串/并聯

對較大型的電力電子裝置，當單個電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件串聯或并聯起來工作，或者將電力電子裝置串聯或并聯起來工作。

①晶閘管的串聯

當晶閘管的額定電壓小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯，但是會存在電壓不均衡的問題：

?靜態不均壓問題：

由于器件靜態特性不同而造成的均壓問題；為達到靜態均壓，首先應選用參數和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。

?動態不均壓問題：

由于器件動態參數和特性的差異造成的不均壓問題。

為達到動態均壓，同樣首先應選擇動態參數和特性盡量一致的器件，另外還可以用RC并聯支路作動態均壓；對于晶閘管來講，采用門極強脈沖觸發可以顯著減小器件開通時間上的差異。

伏安特性差異 串聯均壓措施

②晶閘管的并聯

大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯來承擔較大的電流。晶閘管并聯就會分別因靜態和動態特性參數的差異而存在電流分配不均勻的問題。均流的首要措施是挑選特性參數盡量一致的器件，此外還可以采用均流電抗器；同樣，用門極強脈沖觸發也有助于動態均流。

當需要同時串聯和并聯晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯接。

③電力MOSFET的并聯

?MOS的Ron具有正溫度系數，具有電流自動均衡能力，容易并聯；

?應選用Ron、UT、Gfs和輸入電容Ciss盡量相近的器件并聯；

?電路走線和布局應盡量對稱；

?可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用。

④IGBT的并聯

在1/2或1/3額定電流以下的區段，通態壓降具有負溫度系數；在以上的區段則具有正溫度系數；也具有一定的電流自動均衡能力，易于并聯使用。在器件參數和特性選擇、電路布局和走線、散熱條件等方面也應盡量一致。