电流驱动电路：晶闸管、GTO、IGCT

1.普通晶闸管的触发电路

普通晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证其在需要的时刻由阻断状态转为导通状态。普通晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。

（1）普通晶闸管触发电路 有以下四点要求：一是触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；二是触发脉冲应有足够的幅度，对温度较低的应用场合，脉冲电流的幅度应为器件门极触发电流I_GT的3～5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1～2A/μs；三是触发脉冲不能超过晶闸管门极电压、门极电流及功率的额定值，且在门极伏安特性的必定触发区（见图3-17）之内；四是要有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路间的电气隔离。图9-3给出了理想的普通晶闸管触发脉冲电流波形。其中t₁～t₂为脉冲前沿上升时间（＜1μs）；t₂～t₃为强脉冲宽度；I_M为强脉冲幅值（3I_GT～5I_GT），t₁～t4为脉冲宽度；I为脉冲平顶幅值（1.5I_GT～2I_GT）。

（2）普通晶闸管触发电路 图9-4所示为常见的晶闸管触发电路。由V₁、V₂构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V₁、V₂导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD₁和R₃是为V₁、V₂由导通变为阻断时脉冲变压器TM释放其储存能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其他电路环节。

图9-3 理想的晶闸管触发脉冲电流波形

图9-4 常见的晶闸管触发电路

2.GTO的驱动电路

GTO不仅需要用门极信号开通，还需要门极信号来关断。因此，要求其门极电流能快速关断阴极npn晶体管，从而破坏GTO内部的正反馈。

（1）GTO驱动电路要求 与普通晶闸管相比，GTO的开通对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求更高，并且在整个导通期间一般需要施加正门极电流。GTO关断时给门极施加负脉冲电流，并对其幅值和陡度有严格的要求。图9-5所示为GTO门极电压、电流波形，其关断脉冲的幅值需达到阳极可关断电流的1/3左右，前沿陡度可达50A/μs，强负脉冲宽度约为30μs，负脉冲总宽约为100μs。在GTO关断期间，施加约5V的负偏压，以提高抗干扰能力。

（2）GTO的驱动电路 GTO的驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路及门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。直接耦合可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，得到较陡的脉冲前沿，缺点是功耗大，效率较低。图9-6所示为典型的直接耦合式GTO驱动电路。电路的电源由高频电源电压经二极管整流后提供，VD₁和C₁提供+5V电压，VD₂、VD₃、C₂、C₃构成倍压整流电路提供+15V电压，VD₄和C₄提供-15V电压。VM₁开通时，输出正强脉冲；VM₂开通时，输出正脉冲平顶部分；VM₂关断而VM₃开通时，输出负脉冲；VM₃关断后，R₃和R₄提供门极负偏压。其中，电感L是关断回路的关键元件，电感L值较小，一般在微亨级，它限制了负门极电流的上升率与关断增益。电阻R₃与L并联，可抑制电感电流的振荡。

(www.xing528.com)

图9-5 推荐的GTO门极电压、电流波形

图9-6 典型的直接耦合式GTO驱动电路

3.IGCT的驱动电路

在大功率IGCT的应用中，为了从门极全部抽取阳极电流，要求门极电感（包括GCT内部的封装电感）足够小，可通过减小连线长度、电容器解耦及并联往返通路来实现，典型的IGCT门极驱动、连接线及内部封装电感各约为2nH。于是，用-15V负门极直流电源，可获得di/dt超过5kA/μs的负门极电流。因此，可认为IGCT采用的是硬驱动技术，在驱动电路中需要使用大量MOSFET和解耦电解电容器并联，以降低阻抗。

（1）IGCT驱动电路的要求 IGCT驱动电路与GCT的电流容量有关。对于5SHX 26L4510型IGCT^[3]，驱动电路的基本要求：开通电路的门极电流上升率通常有两个脉冲，第一个触发脉冲的电流上升率大于100A/μs，第二个触发脉冲的电流上升率大于50A/μs，开通门极峰值电流越大越好（I_GM＞200A），最小开通延迟时间大于3.5μs，开通后维持电流大于2.1A。关断电路要求门极关断电流的上升率至少为1000A/μs，GCT的存储时间降到1μs最小的关断延迟时间大于7μs，最大可关断电流I_TGQM越大越好（I_TGQM≤2200A）。

（2）IGCT的驱动电路原理 如图9-7所示，U₁、U₂为电源电压，S₁、S₂、S_off为MOS开关，L₁、L₂为电感，VD₁、VD₂为续流二极管，VD₃、VD₄、VD₅为限流管，C为电解电容。开通电路由U₁、U₂、VD₄、S₁、L₁、S_off、VD₁、C、VD₃组成。按开关工作状态，可将开通过程分为两个阶段。第一阶段为强触发阶段，当加上开通信号时，同时闭合开关S₁、S_off，电源电压U₁+U₂对小电感L₁充电，使流过L₁的电流幅值快速上升到200A，达到强触发脉冲幅值的要求，此时断开S_off，电源电压U₁和电感L₁对GCT的门-阴极进行充电，瞬间可使门极电流充电到200A。门极电流上升率的快慢取决于开关S_off的关断速度和L_GK（GCT门-阴极寄生电感）的大小。S_off关断速度越快，门极电流上升率越大；L_GK越小，时间常数越小，门极电流上升率越大，充电时间就越短。第二阶段为重触发阶段，在保证重触发的前提下，尽可能减小门极驱动电路的功耗。此时S_off断开，随着L_l和U₁对GCT的门-阴极充电过程的持续，电感中存储的能量缓慢释放，门极电流缓慢下降，重触发持续时间约为100μs直至GCT完全触发开通。当器件完全开通后，S_l断开，L₁通过GCT、VD₁将其上储存的能量注入C中储存起来，I_G下降。IGCT导通后，只需要较小的维持电流就可以维持IGCT的通态。

图9-7 IGCT主驱动电路原理图

维持电路由U₁、VD₅、S₂、L₂、S_off、VD₂、C组成。维持电流通过降压斩波电路来完成。维持状态时，S₂闭合，在U₁作用下，对L₂、GCT门极充电，I_G上升至4.5A。电流检测发送关断信号，S₂关断，L₂经GCT门极、C、VD₂放电，将储存的能量存入C，I_G开始下降直至下降到2.5A时，电流检测装置发送开通信号，S₂重新闭合充电，此斩波过程一直循环直至维持过程结束。

IGCT关断时，S_off直接闭合，S₁、S₂断开，C上反向电压加在GCT的门-阴极之间。由于C是大电解电容，电流容量较大，因此反向关断时，既可以反向抽取载流子，又可以承受大电流。由于GCT门极关断电路的寄生电感小，在U₂作用下，反向抽取电流上升率非常大，时间常数较小。虽然，U₂越大，抽取时间越短，但U₂最大值不能超过GCT器件门-阴极J₃结的反向击穿电压（20～25V）。IGCT关断时阳极电流被换至门极，阳极电流通过门极驱动电路继续流通，IGCT的关断变为阳极pnp晶体管的关断，在晶体管模式下，阳极电流被关断。