功率接口电路及应用介绍

在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般都比较大，而计算机发出的数字控制信号或经D/A转换后得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过功率放大后才能用来驱动被控对象。实现功率放大的接口电路被称为功率接口电路。在控制微机和功率放大电路之间，人们常常使用光电隔离技术，下面首先介绍光电隔离器件，然后介绍一些电力电子器件和基本电路。

图7-35 光电耦合器及接口电路

a）光电耦合器 b）接口电路

（1）光电隔离器件

图7-35（a）所示的光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当在发光二极管两端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。光电耦合器有如下特点：

1）光电耦合器的信号传递采取电-光-电形式，发光部分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达10¹⁰Ω以上，并能承受2000V以上的高压。被耦合的两个部分可以自成系统，能够实现强电部分和弱电部分的隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。

2）光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收尖峰干扰信号，所以具有很强的抑制干扰能力。

3）光电耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和高速等优点，响应时间一般在数微秒以内，有的高速型光电耦合器的响应时间甚至小于10ns。

图7-35b是光电耦合器的接口电路，图中的VT1是大功率晶体管，W可以是步进电动机、接触器等的线圈，VD2是续流二极管。若无二极管VD2，当VT1由导通到截止时，由换路定则可知，电感W的电流不能突然变为0，它将强迫通过晶体管VT1。由于VT1处于截止状态，在VT1两端产生非常大的电压，有可能击穿晶体管。若有续流管VD2，则为W中的电流提供了通路，不会强迫电流流过晶体管，从而保护了晶体管。

在接口电路中，应考虑光电耦合器的两个参数：电流传输比CRT与时间延迟。

电流传输比是指光电晶体管的集电极电流I_c与发光二极管的电流I_i之比。不同结构的光电耦合器的电流传输比相差很大，如输出端是单个晶体管的光电耦合器4N25的电流传输比CRT≥20%，而输出端使用达林顿管的光电耦合器4N33的电流传输比CRT≥500%。电流传输比受发光二极管的工作电流I_i影响，当I_i为10～20mA时，电流传输比最大。

时间延迟是指光电耦合器在传输脉冲信号时，输出信号与输入信号的延迟时间。

在图7-35b所示电路中，当8031的P1.0为低电平时，设发光二极管中的电流为10mA，由于4N25的电流传输比CRT≥20%，所以光敏晶体管中的电流是I_c≥2mA。大功率晶体管把这个电流放大就可以带动步进电动机等负载。

图7-36 晶闸管的符号和原理图

（2）常用电力电子器件

1）晶闸管

晶闸管又称可控硅，是目前应用最广的半导体功率开关元件，其控制电流可从数安培到数千安培。晶闸管的主要类型有单向晶闸管SCR、双向晶闸管Trias和可关断晶闸管GTO等三种基本类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等特殊类型。

单向晶闸管（SCR）的符号和原理如图7-36所示。SCR有三个极，三个极的名字分别是阳极A、阴极K和控制极G（又称门极）。从物理结构来看它是一个PNPN器件，其工作原理可以用一个PNP晶体管和一个NPN晶体管的组合来加以说明。SCR有截止和导通二个稳定状态，二种状态的转换可以由导通条件和关断条件来说明。

导通条件是指晶闸管从阻断到导通所需的条件，这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，同时在控制极加上正向电压。

关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需要的条件。晶闸管一旦导通，控制极对晶闸管就不起控制作用了。只有当流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通所需要的电流，即小于维持电流时，晶闸管才关断。下面的例子表明了晶闸管导通和截止的条件。

在图7-37中，电源电压是正弦交流电，若负载是一个纯电阻，由图7-38可知：

在ωt=0～ωt₁区间，SCR截止。

在ωt=ωt₁时，电源电压处在正半周，控制极出现触发脉冲，满足晶闸管导通条件，晶闸管导通。在ωt₁～π区间，SCR保持导通。

在ωt=π时，电源电压为0，由于电流和电压同相位，电流也为0，满足晶闸管截止条件，晶闸管截止，在整个负半周晶闸管保持截止。

图7-39是负载为感性负载时的电路。图7-40是感性负载，负载电压和电流的波形。可以看出电流和电压的相位不一致。

在ωt=0～ωt₁区间，SCR截止。

图7-37 SCR接口电路

图7-38 感性负载上的电压和电流波形

图7-39 与感性负载并联续流二极管

图7-40 电感性负载时负载上的电压、电流波形

在ωt=ωt₁时，电源电压处在正半周，控制极出现触发脉冲，满足晶闸管导通条件，晶闸管导通。由于是电感性负载，电流不是突然变大，而是从0开始逐渐增大。

在ωt=ωt₁～π区间，SCR保持导通。

在ωt=π时，由于是感性负载，虽然电源电压为0，但电流不为0，晶闸管不满足截止条件，所以晶闸管不截止。虽然电流不为0，但电流在减少。

到ωt=ωt₂时，电流减少到0，满足了晶闸管截止条件，晶闸管截止。

为了使晶闸管在电源电压降到0时能及时关断（也为了负载上不出现负电压），可以在感性负载两端并联一个二极管（图7-39）。

双向晶闸管（TRIAC）是具有公共门极的一对反并联普通晶闸管，它的结构见图7-41。图中N2区和P2区的表面被整片金属膜连通，构成双向晶闸管的一个主电极，此电极的引出端子称为主端子，用A2表示；N3区和P2区的一小部分被另一金属膜连通，构成反并联一对主晶闸管的公共门极端，用G表示；P1区和N4区被金属膜连通，构成双向晶闸管的另一个主电极，称为主端子A1。这样，P1-N1-P2-N2和P2-N1-P1-N4就分别构成了双向晶闸管中一对反并联晶闸管的主体。(www.xing528.com)

双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的过程，当负载是感性负载时（如电枢），由于电流滞后于电压，有可能使电压过零时电流仍存在，从而导致双向晶闸管失控（不关断）。为使双向晶闸管正常工作应在其两主电极A1与A2间加RC电路。

图7-41 双向晶闸管的结构

图7-42 门极可关断晶闸管符号及结构图

门极可关断晶闸管（GTO）的内部结构及表示符号如图7-42所示，与SCR相比，GTO控制更灵活方便，即当门极加上正控制信号时GTO导通，在门极加上负控制信号时GTO截止。GTO是一种介于普通晶闸管和大功率晶体管之间的电子器件。它既像SCR那样耐高压、通过电流大、造价便宜，又如GTR那样具有自关断能力、工作频率高、控制功率小、线路简单、使用方便。GTO是一种比较理想的开关器件，在大容量领域很有发展前途。

光控晶闸管和温控晶闸管是两类特种晶闸管。光控晶闸管是把光电耦合器件与双向晶闸管整合到一起形成的集成电路，它的典型产品有MOC3041、MOC3021等。光控晶闸管的输入电流一般为10～100mA，输入端反向电压一般为6V；输出电流一般为1A，输出端电压一般为400～600V。光控晶闸管大多用于驱动大功率的双向晶闸管。

温控晶闸管是一种小功率晶闸管，它的输出电流一般在100mA左右。它和普通晶闸管具有相同的开关特性，并且与热敏电阻、PN结温度传感器相比有较多优点。温控晶闸管的温度特性是负特性，也就是说当温度升高时，正向温控晶闸管的门槛电压会降低。用温控晶闸管可实现温度的开关控制，在温控晶闸管的门极和阳极或阴极之间加上适当器件，如电位器、光敏管、热敏电阻等，可以改变晶闸管导通温度值。温控晶闸管一般用于50V以下的场合。

2）功率晶体管（GTR）

①功率晶体管的特点。功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。GTR是20世纪70年代后期的产品，它把传统双极晶体管的应用范围由弱电扩展到强电领域，在中小功率领域有取代功率晶闸管的趋势。与晶闸管相比，GTR不仅可以工作在开关状态，也可以工作在模拟状态；GTR的开关速度远大于晶闸管并且控制比晶闸管容易，其缺点是价格高于晶闸管。

②功率晶体管的结构。GTR的结构如图7-43a所示。功率晶体管不是一般意义上的“晶体管”，从本质上讲，它是一个多管复合结构，有较大的电流放大倍数，其功率可高达几千瓦。其中的VT1和VT2组成达林顿管，二极管VD1是加速二极管，在输入端b的控制信号从高电平变成低电平的瞬间，二极管VD1导通，可以使VT1的一部分射极电流经过VD1流到输入端b，从而加速了功率晶体管的关断。VD2是续流二极管，对晶体管VT2起保护作用。特别对于感性负载来说，当GTR关断时，感性负载所存储的能量可以通过VD2的续流作用而泄放，从而避免对GTR的反向击穿。

图7-43 功率晶体管结构以及步进电动机一相绕组的驱动电路

a）GTR结构图 b）驱动电路

③功率晶体管的应用。虽然功率晶体管有开关状态和模拟状态两种工作状态，但在机电产品中，它基本被用来做高速开关器件，图7-43b是用功率晶体管做功放元件的步进电动机一相绕组的驱动电路，图中VD3的作用与图7-35中VD2的作用相同。

应该强调一点，当功率晶体管工作在开关状态时，其基极输入电流应选得大一些，否则，晶体管会增加自身压降来限制其负载电流，从而有可能使功率晶体管超过允许功率而损坏。这是因为晶体管在截止或高导通状态时，功率都很小，但在开关过程中，晶体管可能出现高电压、大电流，瞬态功耗会超过静态功耗几十倍。如果驱动电流太小，会使晶体管陷入开头过渡的危险区。

3）功率场效应晶体管（MOSFET）

功率场效应晶体管又称功率MOSFET，它的结构和传统MOSFET不同，主要是把传统MOSFET的电流横向流动变为垂直导电的结构模式，目的是解决MOSFET器件的大电流、高电压问题。它有比双极性功率晶体管更好的特性，主要表现如下几个方面：

①由于功率MOSFET是多数载流子导电，因而不存在少数载流子的储存效应，从而有较高的开关速度。

②具有较宽的安全工作区而不会产生热点，同时，由于它具有正的电阻温度系数，所以容易进行并联使用。

③具有较高的阈值电压（2～6V），因此有较高的噪声容限和抗干扰能力。

④具有较高的可靠性和较强的过载能力，短时过载能力通常为额定值的四倍。

⑤由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此驱动电流小，接口简单。

场效应管的表示符号如图7-44所示，其中G为栅极，即控制极，S为源极，D为漏极。在漏极D和源极S间的反向二极管是在管子制造过程中形成的。图7-45示出了两种驱动电路，图中R_L为负载电阻。

由于功率场效应管绝大多数是电压控制而非电流控制，吸收电流很小，因此TTL集成电路也就足以驱动大功率的场效应晶体管。又由于TTL集成电路的高电平输出为3.5～5V，直接驱动功率场效应管偏低一些，所以在驱动电路中常采用集电极开路的TTL集成电路。图7-45a中所示电路中，74LS07输出高电平取决于上拉电阻R_S的上拉电平，为保证有足够高的电平驱动功率场效应管导通，也为了保证它能迅速截止，在实际中常把上拉电阻接到+10～+15V电源。

图7-44 功率场效应晶体管符号

图7-45 功率场效应管的驱动

功率场效应管的栅极G相对于源极S而言存在一个电容，即功率场效应管的输入电容，这个电容对控制信号的变化起充放电作用，即平滑作用。控制电流越大，充放电越快，功率场效应管的速度越快。故有时为了保证功率场效应管有更快的开关速度，常采用晶体管对控制电流进行放大，如图7-45b所示。另外，在实际使用中，为避免干扰由执行元件处窜入控制微机，常采用脉冲变压器、光电耦合器等对控制信号进行隔离。

绝缘栅双极晶体管，简称为IGBT，是20世纪80年代出现的新型复合器件，它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。IGBT的符号见图7-46。

图7-46 IGBT的符号

4）固态继电器（SSR）

固态继电器（SSR）是一种无触点功率型通断电子开关，又名固态开关。当在控制端输入触发信号后，主回路呈导通状态；无控制信号时主回路呈阻断状态，控制回路与主回路间采取了电隔离及信号隔离技术。固态继电器与电磁继电器相比，具有工作可靠、使用寿命长、外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、和使用方便等优点。在使用时，应考虑其如下应用特性：

①根据产品功能不同，固态继电器输出电路可接交流或直流，对交流负载有过零与不过零控制功能。

②由于固态继电器SSR是一种电子开关，故有一定的通态压降和断态漏电流。

③负载短路易损坏固态继电器SSR，应特别注意避免。

图7-47 固态继电器SSR应用示例

图7-47示出了单片机AT89C51通过固态继电器SSR控制一交流接触器K的控制线路。当P1.0输出高电平时，固态继电器SSR导通，交流接触器K吸合，主电路导通。P1.0为低电平则使主电路关断。