電力晶體管的驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路

由于電力晶體管既具備晶體管飽和壓降低、開(kāi)關(guān)時(shí)間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量; 因此由它所組成的電路靈活、成熟、開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。 缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞，所以為了解決這些問(wèn)題，電力晶體管設(shè)置了驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路，它們有什么功能? 下面一起來(lái)看看：

1.驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路性能不好，輕則使電力晶體管不能正常工作，重則導(dǎo)致電力晶體管損壞。 其特性是決定電流上升率和動(dòng)態(tài)飽和壓降大小的重要因素之一。 增加基極驅(qū)動(dòng)電流使電流上升率增大，使電力晶體管飽和壓降降低，從而減小開(kāi)通損耗。 過(guò)大的驅(qū)動(dòng)電流，使電力晶體管飽和過(guò)深，退出飽和時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程和減小關(guān)斷損耗越不利。 驅(qū)動(dòng)電路是否具有快速保護(hù)功能，是決定電力晶體管在過(guò)電壓或過(guò)電流后是否損壞的關(guān)鍵因素之一。

電力晶體管的驅(qū)動(dòng)電路種類很多，下面介紹一種分立元件電力晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，如圖1所示。 電路由電氣隔離和晶體管放大電路兩部分構(gòu)成。 電路中的二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3組成貝克箝位抗飽和電路，可使電力晶體管導(dǎo)通時(shí)處于臨界飽和狀態(tài)。 當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，如果V5的發(fā)射極電流全部注入V，會(huì)使V過(guò)飽和，關(guān)斷時(shí)退飽和時(shí)間延長(zhǎng)。 有了貝克電路后，當(dāng)V過(guò)飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2就會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使得多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc≈0。 這樣，就使得V導(dǎo)通時(shí)始終處于臨界飽和。 圖中的C2為加速開(kāi)通過(guò)程的電容，開(kāi)通時(shí)，R5被C2短路。 這樣就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過(guò)沖，同時(shí)增加前沿的陡度，加快開(kāi)通。 另外，在V5導(dǎo)通時(shí)C2充電，充電的極性為左正右負(fù)，為電力晶體管的關(guān)斷做做準(zhǔn)備。 當(dāng)V5截止V6導(dǎo)通時(shí)，C2上的充電電壓為V管的發(fā)射結(jié)施加反電壓，從而電力晶體管迅速關(guān)斷。

圖1 分立元件電力晶體管的驅(qū)動(dòng)電路

2.保護(hù)電路

(1)過(guò)電流、短路保護(hù)

由于電力晶體管存在二次擊穿等問(wèn)題，而且二次擊穿很快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快速熔斷器的熔斷時(shí)間，因此諸如快速熔斷器之類的過(guò)電流保護(hù)方法對(duì)電力晶體管類電力電子設(shè)備來(lái)說(shuō)是無(wú)用的。

電力晶體管的過(guò)電流保護(hù)要依賴于驅(qū)動(dòng)和特殊的保護(hù)電路。

(a)電壓狀態(tài)識(shí)別保護(hù)

當(dāng)電力晶體管處于過(guò)載或短路故障狀態(tài)時(shí)，隨著集電極電流的急劇增加，其基射極電壓和集射極電壓均發(fā)生相應(yīng)變化，可利用這一特點(diǎn)對(duì)電力晶體管進(jìn)行過(guò)載和短路保護(hù)。 電路圖如圖2所示。

圖2 電壓識(shí)別保護(hù)電路

(b)橋臂互鎖保護(hù)

逆變器運(yùn)行時(shí)，可能發(fā)生橋臂短路故障，造成器件損壞。 只有確認(rèn)同一橋臂的一個(gè)電力晶體管關(guān)斷后，另一個(gè)電力晶體管才能導(dǎo)通。 這樣能防止兩管同時(shí)導(dǎo)通，避免橋臂短路。

電力晶體管的熱容量極小，過(guò)電流能力很低，要求故障檢測(cè)、信號(hào)傳送及保護(hù)動(dòng)作能瞬間完成，要在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)將電流限制在過(guò)載能力的限度以內(nèi)。

(2)欠飽和過(guò)飽和保護(hù)

電力晶體管的二次擊穿多由于電力晶體管工作于過(guò)飽和狀態(tài)引起的，而過(guò)基極驅(qū)動(dòng)引起的過(guò)飽和又使電力晶體管的存儲(chǔ)時(shí)間不必要地加長(zhǎng)，直接影響著電力晶體管的開(kāi)關(guān)頻率，所以電力晶體管的過(guò)飽和及欠飽和保護(hù)對(duì)它的安全可靠工作有著極其重要的作用。 通常欠飽和保護(hù)可根據(jù)被驅(qū)動(dòng)電力晶體管的基射極電壓降的高低來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)基極驅(qū)動(dòng)電流的大小，構(gòu)成準(zhǔn)飽和基極驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。

以上就是電力晶體管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)介紹了。 電力晶體管與一般雙極型晶體管有相似的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。 它們都是3層半導(dǎo)體，2個(gè)PN結(jié)的三端器件，有PNP和NPN這2種類型; 但是，目前電力晶體管多采用NPN型。

審核編輯：湯梓紅