1、第5章 開關管的驅動、緩沖和保護電路,主要內容： 5.1 概述 5.2 驅動電路 5.3 緩沖電路 5.4 保護電路,5.1 概述,（1）驅動電路 驅動電路是連接控制電路和功率開關器件的橋梁，它將控制信號放大到驅動功率開關所要求的水平；有時候還要求驅動電路的輸入輸出端是電氣隔離的。 功率晶體管的開關特性與驅動電路的性能密切相關。同樣的功率開關，采用不同的驅動電路將得到不同的開關特性。 設計優(yōu)良的驅動電路能改善功率晶體管的開關特性，減小開關損耗，提高整機的效率及功率開關器件的可靠性，從而提高變換器的性能。,（2）緩沖電路 功率開關器件的可靠性主要取決于在工作中所承受的電的和熱的應力。 開關器件開

2、通和關斷的瞬間過程中，承受很大的du/dt或di/dt，在電路寄生電感和寄生電容的作用下，將使開關器件承受很高的電流(Cdu/dt) 或電壓（Ldi/dt ）應力； 器件在開通和關斷的過程中電流和電壓波形交疊，產生很大的瞬時功耗（開關損耗）。 緩沖電路(或稱吸收電路)作用：減小du/dt或di/dt，降低開關器件上的電壓或電流峰值以及開關損耗，將其開關瞬間過程限制在器件的安全工作區(qū)內。,（3）保護電路 功率器件和電路在工作過程中，由于電路內部或外部的原因，可能發(fā)生過流、過壓、過熱等故障。 檢測出故障狀態(tài)，關斷護開關管，則可以避免開關管和電路的損壞、保證工作安全。,5.2 驅動電路,5.2.1

3、晶閘管的觸發(fā)電路 5.2.2 雙極性晶體管的驅動 5.2.3 MOSFET和IGBT的驅動 5.2.4 驅動電路中的隔離技術,晶閘管是電流型觸發(fā)器件，對于門極觸發(fā)信號的要求： 1）電平或脈沖信號 2）有一定的寬度，即要維持到陽極電流大于掣住電流以后才能撤銷，以保證觸發(fā)可靠。 3）有足夠的電流和電壓，但也不能過功率，即必須工作在晶閘管門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)和安全工作區(qū)內。需要加快開通時，驅動電流應具有陡峭的上升沿并有一定過沖。 4）與主電路電源電壓必須同步 5）移相范圍須滿足變流裝置的要求，達到要求的調壓范圍。,5.2.1 晶閘管的觸發(fā)電路,圖5-1 反相放大觸發(fā)電路,圖5-2 強觸發(fā)電路及觸

4、發(fā)電流波形,1. 對驅動電路的要求 電流性控制器件 1）晶體管開通時，驅動電路提供的基極電流應具有陡峭的上升沿，并有一定的過沖，以加速開通的過程 2）導通期間，驅動電路提供的基極電流在任何負載情況下都能保證功率管處于飽和導通狀態(tài)，使功率管的飽和壓降較低，以保證較低的導通損耗。但是，為減小存儲時間，希望在功率管將要關斷前處于臨界飽和狀態(tài)。 3）關斷瞬間，驅動電路應提供足夠的反向基極驅動，以迅速抽出基區(qū)的剩余載流子，減小存儲時間,5.2.2 雙極性晶體管（BJT）的驅動,圖5-3 BJT的最佳驅動電流波形,2. 恒流驅動電路,圖5-4 反相放大驅動電路,Q的驅動電流 IbUD/R1,（1）單管驅動

5、,圖5-5 帶加速電容的驅動電路,（2）加速電容,C1,1） Q1變?yōu)榻刂沟乃查g，C1電壓不能突變、電阻R2被短路，最大驅動電流 Ibm=UD/R1 2）ib隨C1充電而減小。Q穩(wěn)定導通期間 ib=UD/(R1R2) 此時C1端電壓 ucUDR2/(R1R2) 3） Q1再次導通時，C1反向放電、uc反向加在Q的b-e結，為反向抽流提供反偏電壓，加速Q關斷。,圖5-6 推挽驅動電路,（3） 推挽驅動,ui為高電平時，Q1導通、Q2截止，UD通過Q1和R1為功率管Q提供基極驅動電流、令Q導通；ui為低電平時，Q2導通而Q1截止，-UD為功率管Q基極電流反向抽流提供反偏電壓，使其迅速關斷。 關斷速

6、度滿足要求時可以不用負電源，即-UD為零,圖5-7 抗飽和電路,（4）抗飽和電路,VD1、VD2是抗飽和二極管，VD3為反向基極電流提供通路,UceUC 因此VD2導通，且 UD2+Uce=UD1+UVbe 從而 UceUbe,設 UD1= UD1=UD3 當飽和較深時,所以，Q集電結零偏（Ucb0）、臨界飽和，多余的驅動電流通過VD2和Q的c-e流通,MOSFET和IGBT屬于場控器件，即電壓型控制器件，它們的開通和關斷過程驅動實際上是其等效輸入電容的充放電過程,5.2.3 MOSFET和IGBT的驅動,（1） 基本驅動電路,PWM IC 有較強的驅動能力 R1為限流電阻 R2使為了防止靜電

7、荷積累造成g-s過壓擊穿； 穩(wěn)壓管用于防止g-s正向和反向驅動電壓過高,（2）推挽驅動 在所需驅動電流較大時，通常在PWM IC芯片的輸出端擴展一級推挽驅動 圖5-3推挽驅動也適用于場控器件,（3） 專用驅動芯片 采用專用的MOSFET或IGBT驅動芯片可以簡化設計、改善驅動性能,5.2.4 驅動電路中的隔離技術,（1）光耦隔離,（同相驅動）,圖5-10 一種變壓器隔離驅動電路,（2）驅動變壓器隔離,正向驅動 u2=(N2/ N1)(UD-uc1),反向抽流 u2=-(N2/N1)uc1,uc1= UDD,5.3.1 RCD關斷緩沖電路 5.2.2 RLD開通緩沖電路 5.2.3 組合緩沖電路

8、 5.2.4 無損緩沖電路,5.3 緩沖電路,緩沖電路主要限制開關器件在開通和關斷瞬間過程所承受的的di/dt、du/dt、電壓應力、電流應力和功率應力。 以Buck變換器為例，分析開關管開通和關斷過程中的電流電壓變化以及緩沖電路的工作原理。,圖5-11 Buck變換器 (a) 電路原理圖 (b) 等效電路原理圖,5.3.1 RCD關斷緩沖電路,（1） 關斷過程分析,分析時假設： 電路已進入穩(wěn)態(tài) 忽略Q和VD的導通壓降 假設電感足夠大、可以忽略電感電流紋波，即iL等效為恒流源IL,1) t0時，開關管Q處于導通狀態(tài)，續(xù)流管VD處于關斷狀態(tài) iQIL，uds0 2) tt1時，令Q的驅動電壓為零

9、，Q開始關斷，經過存儲時間tf后（t2=t1+tf），iQ開始下降。由圖5-11b節(jié)點A電流方程，從t2時刻開始，有： iD=IL-iQ0 VD一旦導通則其正向壓降迅速下降，即A點電位迅速下降 3) t=t3時， VD壓降下降到零，udsUi。然后iQ繼續(xù)下降、iD繼續(xù)上升。 4) t=t4時，iQ降到零，電感電流完全換流到續(xù)流管VD、iDIL，Q關斷、iQ0,圖5-12 開關管關斷過程（無緩沖）,a) 時域波形,圖5-12 開關管關斷過程（無緩沖）,a) 時域波形,圖5-12 b) 關斷負載線,1）t1t2期間，Q工作在A點（導通狀態(tài)），A點： iQIL，uds0 2）t2t3期間，Q由A點

10、迅速運動到B點，B點：iQIL，udsUi 3）t3t4期間，Q由B點運動到C點，C點： iQ0，udsUi C點對應Q關斷期間的狀態(tài)。,畫出關斷過程Q的動態(tài)負載線:,Q關斷過程的動態(tài)負載線掠過高損耗區(qū)，不安全,圖5-13 帶RCD關斷緩沖網絡的Buck變換器,（2） RCD關斷緩沖原理,緩沖原理： 1）t0時，Q處于導通狀態(tài)，uC10 2）tt1時令Q開始關斷，經過存儲時間tf后，iQ開始下降。由于uC1不能突變，因從t2 (t2=t1+tf)時刻開始，VD繼續(xù)承受反壓而保持關斷，R1被D1短路，所以沒有電流流過R1。 uD=-(Ui-uds)=-(Ui-UC1)0 iC1=IL-iQ+ i

11、D, iD=0 iC1通過VD1給C1充電。因C1較大，故uC1 (uds)緩慢上升,3）t=t3時，iQ下降到零，iC1=IL，uC1繼續(xù)上升。 4）t=t4時，uC1充電到Ui。iC1迅速下降至零，uD由負上升到零，此時開始VD迅速導通續(xù)流、即C1電流（IL）迅速換流到VD。 當再次令Q開通時，RCD網路被Q短路，C1通過R1和Q放電。Q導通期間，C1完全放電、回到狀態(tài)1），為下一次關斷緩沖做好準備。,圖5-14 開關管Q關斷過程(RCD關斷緩沖),(a) C1較大時的時域波形 (b)C1較小時的時域波形 (c) Q的關斷負載線,（3）RCD緩沖電路的參數設計 C1越大，Q關斷過程端電壓上

12、升越慢、關斷損耗越小，但Q導通期間C1的放電時間也越長、Q開通損耗增加； Q開通時C1放電最大附加電流等于Ui/R1，所以R1不能太小 C1上的電壓在Q導通期間必須放電到零，才能在下次關斷過程起到緩沖作用，所以R1也不能太大， R1C1Tonmin/4， 式中Tonmin為最小導通時間。 電容C1的能量C1Ui2/2消耗在R1上，因此一個開關周期R1平均功耗 PR1= C1Ui2f/2，f為開關頻率，據此確定R1的功率定額。,Q的關斷損耗轉移到R1上，整個變換器的效率不一定提高，但Q在關斷過程所承受的應力降低、可靠性得以改善。,5.3.2 RLD開通緩沖電路,仍以Buck變換器為例，參考圖5-

13、11，假設電路已經進入穩(wěn)態(tài),（1）開通過程分析,1) t0時刻，開關管Q處于關斷狀態(tài)，iQ0，udsUi 2) tt1時，令Q的驅動電壓為高電平 ，經過延遲時間td后（t2=t1+td），iQ開始上升。由圖5-11b節(jié)點A電流方程，有 iD=IL-iQ 續(xù)流管VD電流iD隨之開始下降，但仍保持導通，故仍有udsUi 3) t=t3時，iQ上升到IL、iD下降到0，A點電位開始迅速上升，電感電流完全換流到開關管Q 4) t=t4時，A點電位上升到Ui，uds0，Q開通過程結束。,圖5-15 開關管開通過程（無緩沖）,a) 時域波形,圖5-15 b) 開通負載線,1）t1t2期間，Q工作在C點（關

14、斷狀態(tài)） C點：iQ=0，uds=Ui 2）t2t3期間，Q由C點運動到B點，B點：iQIL，uds=Ui 3）t3t4期間，Q由B點迅速運動到A點 A點：iQ=IL，uds=0 A點對應Q導通期間的狀態(tài),畫出開通過程Q的動態(tài)負載線：,Q導通過程動態(tài)負載線掠過高損耗區(qū)，不安全,（2） RLD導通緩沖原理,t0時刻，開關管Q處于關斷狀態(tài)，iQ0，udsUi tt1時，令Q導通，經過延遲時間td后（t2=t1+td），iQ（= iL1）開始上升，上升率,Q剛開始導通時udsUi，所以iQ從零開始上升、而且上升率接近于零；隨著uds下降，iQ上升變快。如果L1較大，則uds下降到零時iQ還沒有上升到

15、IL，在此期間，續(xù)流管VD仍然導通。,緩沖原理：,3) t=t3時，uds下降到0，之后iQ以最大上升率Ui/L1上升 4) t=t4時，iQ上升到IL，VD關斷、電流完全換流到Q,Q導通期間，iQ仍然流過L1；Q再次關斷時，VD1和R1為L1提供電流通路，當然，L1兩端的感應電勢將造成Q的附加電壓應力；Q關斷期間，L1的儲能要完全消耗在R1上、其電流下降到零，為下一次開通緩沖做好準備。,圖5-17 開關管開通過程(RLD關斷緩沖),a) 時域波形 b) 關斷負載線,（3） RLD緩沖電路的參數設計,L1越大，Q開通過程電流上升越慢、開通損耗越??；但Q關斷期間時L1的初始儲能L1IL2/2越大

16、，需要在Q關斷期間完全消耗在R1上，以此L1、R1的選擇也要保證 L1/R1Toffmin/4 式中Toffmin為最小關斷時間。 一個開關周期R1上的平均功耗 PR1= L1IL2f/2 f為開關頻率，據此確定R1的功率定額,5.3.4 組合緩沖電路,Q開通時，電感L2使Q的電流緩慢上升，實現了開通緩沖； Q關斷時，C1等效并聯在Q兩端、限制了其電壓上升速度，實現關斷緩沖。,Q開通期間，C1通過Q和R1、L2放電、帶來附加開通損耗；由于L2限制了Q的電流上升率，所以此緩沖電路給Q造成的附加開通損耗還小于圖5-13情況； Q關斷期間，L2的能量通過VD2、R2支路釋放，電流下降產生的感應電勢也

17、給Q帶來一定的附加電壓應力。,5.3.4 無損緩沖電路,圖5-19 帶LCD關斷緩沖電路的Buck變換器,(a) 等效電路圖 (b) 關鍵點波形,將緩沖能量反饋回電源或送入負載，有效地利用，而不是消耗在電阻上,設t t1時，Q處于導通狀態(tài)，并且C1、C2已充電到Ui ： uc1(t1)=uc2(t1)= Ui t=t1時Q關斷，iQ下降， C1、C2分別經由C1D1和C2D2支路放電：,緩沖原理：,uds=Ui-uc1,可見: uds從零開始緩慢上升,t=t2時，iQ下降到零、而uds(t2)Ui；然后uc1(uc2)逐漸下降、t=t3時降到零，同時uds逐漸升到Ui。在此過程中，VD3反偏，

18、i1=0。 當Q在t4時刻再次開通時，iQ上升、iD下降，但VD仍導通，uds保持為Ui；到t=t5時，iQ達到IL，iD下降到零、VD反偏截止，uds迅速降。之后流過Q的電流一方面向負載供電，同時給C2-D3-L-C1串聯支路充電；VD3導通，電路諧振，諧振角頻率,i1按二階振蕩變化，諧振半周期（t=t6）后，當i1過零趨于變負，VD3反偏、阻止變負、i1=0，諧振過程結束，C1和C2都充電到電壓Ui，為下一次關斷吸收做好準備。iQ穩(wěn)定在IL,分析吸收電路的能量的流動過程可見：Q導通時Ui 給電容C1、C2充電；Q關斷時C1、C2放電到負載。,上述吸收電路理論上沒有功耗，故稱為無源無損(Pa

19、ssive Loss-less)吸收電路。又由于有二極管VD1、VD2和VD3等非線性元件，所以它屬于非線性吸收電路。,5.4 保護電路,5.4.1 過電流保護 5.4.2 過電壓保護 5.4.3 過熱保護,開關管的過電流保護： 在開關管的控制或驅動電路中一般都設置過電流保護環(huán)節(jié) 峰值電流限制： 防止電流尖峰過大損壞開關管 均值（或有效值）電流限制：防止過熱損壞開關管 電路的過流保護： 快速熔斷器，等,5.4.1 過電流保護,過壓保護一般有： 1）輸入電壓檢測和保護電路，過壓時停止變換器工作，使變換器中的器件值只承受靜態(tài)電壓，而沒有開關過程造成的附加電壓尖峰。 2）壓敏電阻或RC吸收網絡抑制輸