D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.04.016 第16卷第4期 北京科技大学学报 Vol.16 No.4 19948Journal of University of Science and Technology Beijing Ag1994 大功率晶体管的动态负载自适应驱动 胡健中李春寿 北京科技大学机器人研究所,北京100083 榜要本文分析了PWM放大器晶体管各阶段的工作状态,给出最佳基极驱动电流波形并提出了 根据晶体管负载状况自动调节基极驱动电流的动态负载自适应技寿,采用此项技寿设计的驱动电 路已经几年运行考核,解决了晶体管控制系统的关键难题· 关键词功率晶体管,控制系统/驱动电路,动态负载驱动 中图分类号TN323.4,TP275,TM921.541 Loadamitic Self-adapting Drive for GTR' Hu Jianzhong Li Chunshou Robot Research Institute,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT The GTR staged work state of PWM amplifer is analysed.A optimum base driving current waveform is given out.And loadamitic self-adapting technique,which adjusts base driving current according to GTR load state,is advanced.Drive circuits being designed by the technoque has worked for years and won approval.The crux of GTR control system has been solved. KEY WORD power transistor,control system/drive circuit,loadamitic drive 大功率晶体管驱动是晶体管PWM控制系统的关键技术,驱动电路作为控制电路与主电 路接口,对系统的正常可靠工作具有决定性的作用,国内不少研究和生产单位在PWM控制 系统晶体管保护方面作了大量工作~到.晶体管的故障一般是在瞬间发生的,外部保护手段 来不及作出反应,晶体管就已损坏,所以,追求完备的保护措施并不能提高系统的可靠性, 只能防止故廉扩大,只有设计出可靠的驱动电路,保证功率晶体管在最佳状态工作,不出现 危及晶体管安全的故障,才是解决晶体管驱动的根本方法, 1 功率晶体管最佳驱动电流波形 19奶-10-12收稿第一作者男4岁工程师 ·“七五”国家重点科技攻关项目
第 卷 第 期 , 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 苗 。 内吧 大功率晶体管 的动态负载 自适应驱动 ’ 胡健 中 李春寿 北 京科技大学 机器 人研究所 , 北 京 以 旧 摘要 本文分析 了 放大器 晶体管各 阶段 的工作状态 , 给出最 佳基极驱动 电流波形并提 出 了 根据 晶体管负载状况 自动调节基极驱 动 电流 的动态负载 自适应技 寿 采用此 项技寿设计的驱 动 电 路 已 经几年运行 考核 , 解 决 了 晶体管控制 系 统的关键难题 关健词 功率晶体管 , 控 制 系 统 驱 动 电路 , 动态负载驱动 中圈分类号 , , 下 而 一 月“ 山陀 九 肥 洲 , , 氏 , , 面” 。 以 ℃ 皿 而 一 吨 枉℃ 川 , 习 叨 , “ 月 ℃ 往£ 五 刀 笼 , 卫 以找刀 , 而 大 功率 晶体管驱动是 晶体 管 控 制系 统 的关键技术 驱 动 电路作 为控制 电路 与 主 电 路 接 口 , 对系统 的正 常可 靠工 作具有 决定性 的作用 国 内不 少研究 和 生 产单位在 控制 系 统晶体管保护 方 面作 了大量 工 作 一 习 晶体管 的故 障一般是 在 瞬间发生 的 , 外部 保 护 手 段 来 不 及 作 出反 应 , 晶 体 管 就 已 损 坏 所 以 , 追求完 备的保护措施并 不 能提 高系 统 的可靠性 , 只能防止故 障扩大 , 只有设计 出可靠 的驱 动 电路 , 保证功率 晶体管在 最佳状态工作 , 不 出现 危及 晶体管安全 的故 障 , 才是解 决 晶体管驱 动 的根 本方法 功率晶体管最佳驱动 电流波形 卯 一 一 收稿 第一 作者 男 岁 工 程 师 “ 七五 国家重点科技攻 关项 目 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1994.04.016
·378 北京科技大学学报 1994年No.4 图1为典型的晶体管PWM放大器.大功率晶体管工作在开关状态,开通时迅速饱和导 通,关断时立即截止·以交互式单极性工作方式下功率晶体管T,为例 (1)T,关断后,电感L释放能量,通过二极管D2产生续流I。·如果L储存能量较多, b在T,再次开通时仍然存在,电机电流IM≈1+1c,基本保持不变.当减小到0,D,在 截止前反向恢复时间t。内相当于短路,流过反向电流IDRI1,集电极电流Lc=IM+ID,急 剧增大·若过大将使晶体管退出饱和区,造成损坏,解决办法: +○ 图1晶体管T开通时电流流向 Fig.1 Current direction at GTR T:turning on ①诚小1。,使D,在T,开通前截止·但。取决于IM及续流时间,不能随意改变· ②采用快速恢复二极管FD,其结面积小,存储电荷相对少,能很快复合消失,关断速 度快,t很短,使IpR峰值相应减小· ③限制I。的电流上升率·晶体管本身开通电流上升率较大,使IDR峰值加大,I。增 大·在晶体管基射极间并联电容,可减缓基极电压信号上升的斜率,从而减小↓的上升 率,但【加长,即以加长开通时间换取功率晶体管的安全运行· ④功率晶体管的连续电流参数c一般取系统最大电流1mx的1.2~1.5倍. ⑤在电机电流IM=Imax时,Im二Imax+IDRc·为在这种情祝下功率晶体管开通时能迅速饱和 导通并有一定的饱和深度,必须采用强驱动方式.根据晶体管饱和导通条件,按lD=I考虑, 1b,>L.m/Br≈2lmax/fx (1) (2)功率晶体管导通后,需保持饱和状态,使其功耗为最小,同时驱动电路随时准备关 断晶体管,如果晶体管处于过饱和状态,基区和集电结积累超量存储电荷·关断时,在存储 时间t,内将电荷中和,I。才开始下降.为此,晶体管开通后减小I,使其处于临界饱和状 态,减少超量存储电荷,以缩短t,加快关断.电机稳定运行时,I≤I,所以 lb,=1./B1 (2) (3)晶体管关断时除在基极加反向偏压外,使I。反向流动,以加快吸收超量存储电 荷,缩短·一般 1,≈-21o (3) 晶体管关断后,为保持可靠截止,需维持较小的反向基极电流。, 理想的晶体管基极驱动电流波形如图2.一个PWM周期内,开通区间0→,为强驱 动电流I。;导通稳态区间t1→12,为维持临界饱和电流1b,;关断区间t2→t,为反向吸
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 卯 年 图 为典型 的 晶体管 放大器 大 功率 晶体管工 作在 开 关状态 , 开通 时迅 速 饱 和 导 通 , 关 断时立 即截 止 以交互 式 单极性 工 作方 式 下 功率 晶体管 为例 【 ‘ 关 断后 , 电感 释 放能量 , 通过 二极 管 产生续 流 几 如 果 储存 能 量 较 多 , 在 ,再次开通 时仍然存 在 , 电机 电流 、 几 , 基本保持不 变 当 减小 到 , 在 截止 前反 向恢复 时 间 。 内相 当于 短 路 , 流过反 向 电流 汇’ , 集 电极 电 流 二 气 十 , 急 剧 增大 若 。 过大 将使 晶体管退 出饱 和 区 , 造 成 损坏 解 决办法 〕 仁曰叭 占月 图 晶体管 开通 时电流流 向 珑 , 而 ① 减小 , 使 在 开通前截止 但 取 决于 及 续流 时 间 , 不 能 随意 改 变 ② 采用快速恢复二 极管 , 其结面积小 , 存储 电荷相对少 , 能很快复合消失 , 关断速 度快 , 。 很 短 , 使 峰值相 应减 小 ③ 限制 。 的 电流上 升率 晶体管本 身 开 通 电 流 上 升 率 较 大 , 使 峰 值加 大 , 。 增 大 在 晶 体 管 基 射 极 间 并 联 电 容 , 可 减 缓 基 极 电 压 信 号 上 升 的斜 率 , 从而 减小 的上 升 率 , 但 。 加 长 , 即 以 加 长 开 通 时 间换取 功 率 晶体 管 的安 全 运 行 ④ 功率 晶体 管 的连续 电流参 数 一般取 系 统最 大 电流 的 一 倍 ⑤ 在电机电流 二 、 时 , 。 , ‘ 认二 、 。 为在这种情况下功率晶体管开通时能迅速饱和 导通并 有一定 的饱和深度 , 必须采用强驱动方式 根据晶体管饱和导通条件 , 按 蝙 考虑 , 刀 二 、 刀 功率 晶体管 导通后 , 需 保持 饱 和 状态 , 使 其 功耗 为最小 同时驱 动 电路 随 时 准备 关 断晶体管 如果 晶体 管处于 过 饱和 状态 , 基 区 和集 电结 积累超量存储 电荷 关 断时 , 在存储 时 间 , 内将 电荷 中和 , 。 才 开始 下 降 为此 , 晶体管 开通后 减小 , 使其 处 于 临 界 饱 和 状 态 , 减少 超 量存 储 电荷 , 以 缩 短 , 加快 关 断 电机稳定运行 时 , 毛 。 , 所 以 口 晶 体 管 关 断 时 除 在 基 极 加 反 向偏 压 外 , 使 反 向流 动 , 以 加 快 吸 收 超 量 存 储 电 荷 , 缩短 一 般 、 一 晶体管 关 断后 , 为保持 可 靠 截止 , 需 维 持较小 的反 向基 极 电流 气 理 想 的 晶体管 基 极 驱 动 电流波 形 如 图 一 个 周 期 内 , 开 通 区 间 , 为 强 驱 动 电流 人 , 导通 稳态 区 间 , , 为 维持 临界 饱和 电 流 关 断 区 间 , 为 反 向 吸
Vol.16 No.4 胡健中等:大功率晶体管的动态负载自适应驱动 379. 收电流1。,;截止稳态区间t,→t4,为维持截止反向电流1,· 自适应 通 调节 大功率 B 品体管 时 稳态 E 驱动 光 电 反流 维持 离 U, 交换 关断 酸止 图2功率晶体管基极驱动电流波形 图3功率晶体管驱动电路框图 Fig.2 GTR'$base driving current waveform Fig.3 GTR drive block diagram 2 动态负载自适应驱动 动态负载自适应驱动电路框图及其原理图分别示于图3和图4, 2.1晶体管开通延时 PWM放大器(图1)同侧桥臂两个晶体管状态是互逆的,同时在两管基极加人转换信号,转向 导通管经开通时间t。已基本导通,而转向截止管1.需经过t,才开始下降,由于t,>t,两 管会同时处于导通状态,使电流短路,瞬时大电流烧毁晶体管,因此必须采用开通延时方 V.O 图4驱动电路原理图 Fig.4 Drive circuit diagram
丫 胡健 中等 大 功率 晶体管 的动态 负载 自适应驱 动 收 电流 几 截止稳态 区 间 , 为维持截 止反 向 电流 二 开 , 自适应 通 调 节 · 大功 率 延 品 体管 时 · 稳态 驱 动 光 · 电隔 电平 阵 。 · 维 持 离 交换 截 止 沁 口 ‘ 关 断 图 功 率 晶 体 管基极 驱动 电流 波 形 ‘ 续 加 讨 图 功 率 晶体 管驱 动 电路 框 图 洲 击 动态负载 自适应驱动 动态负载 自适应驱 动 电路 框 图及其原理 图分别示 于 图 和 图 晶体管开通 延 时 放大器 图 同侧桥臂两个晶体管状态是互逆 的 , 同时在两管基极加人转换信号 , 转 向 导通管经开通 时 间 。 。 已 基本 导通 , 而 转 向截止 管 需 经过 才开始下 降 由于 , 两 管会同时处于 导通状态 , 使 电流 短 路 , 瞬 时大 电 流 烧 毁 晶体管 因此 必 须 采 用 开 通 延 时方 舟粤 乌 , 阮 ,坛 日尸 曰 图 瑰 驱动 电路原理 图 山
.380 北京科技大学学报 1994年No.4 法,开通信号比截止信号延时t,·由于T驱动电路中工作状态根据I。设计,L。,>1,导通稳态区间 T处于过饱和状态,关断时间加长,使功率管基极电压V。下降沿产生滞后,因此t,应大 于功率管关断时间【。与驱动电路本身滞后时间之和· 2.2稳态驱动及自适应调节 (1)通过R,提供晶体管稳态导通所需的基极驱动电流【,· I6:=VR/R=(V+-VTn-VD-Vb)/R (4) R,=VR·.f/1。 (5) (2)采用动态负载自适应控制技术,构成驱动电流自动调节系统.D,阴极与T集电 极相接,T管压降V。的变化改变流过D的电流,分流IR,调节T2基极电流I12b,改变 IR·【,=,+I,使功率晶体管处于强驱动或临界饱和状态. T截止时,Ve=U,D承受反压,阻断Ve对T2的影响.V2b被D2、D,箝制在OV. I2b=1R=V,/R,T2饱和导通,因T1截止,1,=0. 控制信号U使T,开通的瞬间,T仍然截止,T2饱和导通,IR,为最大值.T,发射极电流经 RT和R,两条通路流通,形成强驱动电流1,=L,+IRT,饱和导通时的集电极电流为: IR:=Va;/R2 =(V,-VI -VIe-VD-V)/R2 (6) R2=VR;/(I-16:)=VR;'BT/(2Imms-1) (7) 强驱动使T开始导通,Vce急剧降低.由于Vb=1.4V,V2b=2.8V.V降到2.8V以 前,Tn维持LR-促使T完全导通.当V<2.8V,D,承受正压,流过电流1R:根据 二极管特性,Vp<0.7V时,IR,很小,当Ve<2.1V, lR,=(V2b-VD。-Vce)/R (8) IR,=I8,+In=(V:-VIb)/Rs (9) 随着Ve下降.1R,增大,I2b减小,T2进入放大区,Vb≈2.7V,则 [+27元] (10) IR:随V。线性变化.Vc。下降使T2截止,IR,=0.设V+=12V,R,=4702, R,=3.3k2,则V=0.675V≤1V,大功率晶体管饱和导通. 电机起制动时,IM=I,PWM脉冲加宽使UAB升高以增大电流,功率晶体管的稳态导 通电流也相应加大,按(2)式计算的I2偏小,功率管进入放大区,V上升,T2工作在 放大区,IR,随V升高而增大,满足Br·1,≥I,保持T处于临界饱和状态,假设脉宽不 变,Imax=31,1b2=70mA,Bra=250,则Ve=0.939V.可见,采用动态负载自适应技术, 晶体管I增大二倍,Vc未超过1V,仍在正常状态, 同样,在电机稳态运行时,因负载变化或其他原因致使电机电流突然加大,驱动电路能 根据V。自动调整使功率管总是处于临界饱和状态, 2.3晶体管反流关断及截止 V。下降沿滞后推迟了功率管的关断,加长开通延时易造成控制死区·当U下降沿一出现,在 功率管基极回路加入较大的反向电流,吸收中和基区的超量存储电荷,使功率管关断存贮时间
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 望辫 年 法 , 开通信号比截止信号延时 , · 由于 马圆电路中工作状态根据 侧十 , 几 , , 导通稳态区间 ,处于 过饱 和 状态 , 关 断 时 间加 长 , 使功 率管基 极 电压 、 下 降沿 产 生 滞 后 , 因 此 , 应 大 于 功 率管关 断时 间 。 。 与驱 动 电路 本 身滞后 时 间之 和 稳态驱动及 自适应 调 节 通过 提供 晶体管稳 态 导通 所需 的基 极 驱 动 电流 · 一 , 一 一 , , ’ 口 。 采 用 动态负载 自适 应控制技 术 , 构 成 驱 动 电流 自动 调 节 系 统 阴 极 与 集 电 极相 接 , 管压 降 玖 。 的变化改 变 流 过 的 电 流 , 分 流 几 ,, 调 节 基 极 电 流 , , 改 变 几 , , , 使功 率 晶体管处于 强 驱 动或 临界 饱和 状态 截 止 时 , , 承 受 反 压 , 阻 断 。 对 的影 响 , 被 、 箱 制 在 , 几 , , 饱 和 导 通 , 因 截 止 , 几 · 控制信号 从 使 开通 的瞬间 , 仍然截止 , , 饱和导通 , 几 为最大值 · 、 ,发射极 电流经 凡 、 和 , 两条通路 流通 , 形 成 强 驱 动 电流 。 ,一 , · 饱和导通时的集 电极 电流为 几 一 一 。 一 ,, 一 玖 一 珠 ‘ 刀 厂 强 驱 动 使 开 始 导 通 , 玖 。 急 剧 降低 由于 , 叭 二 玖 。 降 到 以 前 , 维 持 , 促 使 完 全 导 通 · 当 从 , , 承 受 正 压 , 流 过 电 流 几 · 根 据 二极 管特性 , · 时 , 几 很小 , 当 。 , 几 , 一 。 一 。 。 , 〕 十 一 叭 。 随着 。 下 降 , , 增 大 , , 减小 , 进人放大 区 , , 、 , 则 「 , , 、 一 二 , 一 十 - 一 “ - ” , 随 。 线 性 变 化 · 。 下 降 使 截 止 , 设 , 。 一 。 , , 则 。 蕊 , 大 功率晶体管饱 和 导通 电机起 制 动 时 , 、 , 脉 冲加 宽使 。 升高 以增 大 电流 功率 晶体管 的稳态导 通 电流也相 应加大 , 按 式计算 的 偏 小 , 功率管进 人 放 大 区 , 。 上 升 工 作 在 放大 区 , 几 , 随 。 升高而 增 大 , 满足 刀 · 。 , 保 持 处于 临 界 饱 和 状 态 假 设 脉 宽 不 变 , 。 , , 刀 , , 则 。 一 , 可 见 , 采 用 动 态 负 载 自适 应 技 术 , 晶体管 ‘ 增 大二倍 , 。 未超 过 , 仍在 正 常状态 同样 , 在 电机稳态运行 时 , 因负 载 变 化 或其他 原 因致 使 电机 电流 突然 加大 , 驱 动 电路 能 根 据 。 自动调 整 几 , 使功率 管 总是 处于 临界 饱和 状态 晶体 管反流关 断及截止 气 下降沿滞后推迟 了功率管的关断 , 加长开通延时易造成控制死 区 当 下降沿一 出现 , 在 功率管基极 回路加人较大 的反 向电流 , 吸 收 中和基 区的超量存储电荷 , 使功率管关断存贮时间
Vol.16 No.4 胡健中等:大功率晶体管的动态负载自适应驱动 .381. 由V。下降沿提前到U,下降沿开始,与V。下降沿滞后时间重叠,抵消其影响,加快关断. 反向关断电流波形分析如图5当U,与V。 都是负电平时,U,>V,比较器输出U,为正 电平.t,时,U,上跳,V。经过延时在t:时上 U 5.6 跳.在t~t3间,U>V,U,保持正电平.在 t,时,U,下跳.V。由于下降沿滞后,仍为正 电平,U5 0 合基区超量存储电荷.到t4时,V。降至OV,t, 结束,转入下降时间t·当V。<U时,U翻 -12 转为正电平,T,截止,IR,=0,反流关断阶段 图5反向关断电流的形成 结束.t很短,V,被D1、D2箝拉于-1.4V. T截止.根据(3)式, Fig.5 Forming of the turn off counter base current IR=(Vo-V--VIp)/Rs 216; 功率品体管截止后,基射结承受反压,因内部并联电阻和加速二极管,流过很小的反向 电流,使晶体管可靠截止,不误导通.I。,=14mA,IR,约为20mA, 3结论 大功率晶体管动态负载自适应驱动技术完全实现了最佳基极驱动电流波形,保证了功率晶体 管在开通时迅速饱和导通,导通稳定时处于临界饱和状态,关断时提前进入【,反流迅速可 靠关断,抵消电路滞后影响,并能随时根据负载状况自动调节基极驱动电流,使功率晶体管 始终处于最佳工作状态,管子功耗保持最小,确保晶体管的安全运行.采用这项技术的驱动 电路用于ZSK系列高精度直流瞬服系统,经多台装置几年的运行,未发生晶体管损坏的问 题,动态负载自适应驱动解决了晶体管驱动技术方面的关键问题,大大提高了控制系统的整 体可靠性,可在任何采用大功率晶体管的调速、瞬服系统及其他控制系统中应用· 参考文献 1孙键,梁任秋,李鹤轩·大功率达林顿晶体管的驱动与保护.电力电子技寿,1989(1):3~7 2周杏生.GTR自保护高效驱动电路.电力电子技寿,1989(I):9~11 3谢有生,陆廷信.一种高性能GTR驱动电路的分析与设计.电力电子技寿.1989(3):3~6 4胡健中,李春寿等.直流伺服控制系统新的PWM工作方式,见:“七五”机器人开发研究论文报告 集,第三届全国机器人学寿讨论会,1991.183~191 5黄锦思,王离九,周永騁.晶体管脉宽调制放大器设计,电气自动化,1985(1-2):3~8
胡健 中等 大 功率 晶体管 的动态负载 自适应驱动 由 气 下 降沿提 前到 下 降沿 开始 , 与 叭 下 降沿滞后 时 间重 叠 , 抵 消其影 响 , 加快 关 断 反 向 关 断 电 流 波 形 分 析 如 图 当环 与 长 都是 负 电平 时 , 玖 , 比 较 器输 出 为 正 言 电平 时 , , 上跳 , 经过延 时在 时上 跳 在 , 一 间 , , 认 保持正 电平 在 时 , , 下 跳 气 由于 下 降沿 滞后 , 仍 为 正 电 平 , 气 , 认 变 为 负 电 平 使 , 饱 和 导 通 , 流 过 电 流 几 ‘ , 形 成 八 ‘ 八 二 , 、 趋 向截止 和 ‘ 的分 流使功 率管 的 基极 电流反 向 , 几 急剧 增 大 , 进 入 , 吸收 复 合基 区超量 存储 电荷 到 时 , 气 降至 , 结束 , 转人 下 降时 间 当 气 , 时 , 翻 转 为正 电平 , , 截止 , 几 二 , 反 流 关 断 阶段 结束 很 短 , 气 被 , 、 , 箱拉于 一 , 截止 根 据 式 , , ‘ 气一 一 〕 。 念 亡 ﹄ 图 反 向关 断 电流 的形成 殆 ” 叨比 功率 晶体管 截止 后 , 基射 结承 受反 压 , 因 内部并 联 电阻 和加速二极 管 , 流过很小 的反 向 电流 , 使 晶体管 可 靠截止 , 不 误 导通 几 一 , , 约 为 结 论 大功率晶体管动态负载 自适应 驱动技术完全实现 了最佳基极驱动电流波形 , 保证了功率晶体 管在 开通 时迅 速 饱和 导通 , 导通 稳 定 时处于 临界 饱 和 状态 , 关断 时提前 进人 , 反 流 迅 速 可 靠 关断 , 抵 消 电路 滞后影 响 并 能 随 时根 据 负载 状况 自动调 节基极 驱 动 电流 , 使功率 晶体管 始 终处于 最佳工 作 状态 , 管 子 功耗保持 最小 , 确保 晶体管 的安 全运行 采用 这项技术 的驱动 电路 用 于 系列 高精 度直 流 瞬服 系 统 , 经多 台 装置几 年 的运 行 , 未发 生 晶 体 管损 坏 的 问 题 动态 负载 自适应驱 动解 决 了晶体管 驱 动技术方 面 的关键 问题 , 大大提 高 了控 制系 统的整 体可靠性 , 可在 任何 采 用 大 功 率 晶体管 的调 速 、 瞬服 系 统及 其他 控 制 系 统 中应 用 参 考 文 献 孙键 , 梁 任秋 , 李 鹤轩 大 功率达林 顿 晶体管 的驱 动 与保护 电力 电子技寿 , 一 周 杏 生 自保 护高效驱动 电路 电力 电子 技 寿 , 一 谢有 生 , 陆廷 信 一种 高性 能 驱 动 电路 的分析 与设计 电力 电子 技 寿 一 胡健 中 , 李春 寿等 直 流伺服控制 系 统新 的 工作方 式 , 见 “ 七 五 ” 机 器 人 开 发 研 究 论 文 报告 集 第三届 全 国机器 人学 寿讨论会 卯 一 黄锦思 , 王 离九 , 周 永鹏 晶体管脉 宽调 制放大器设计 电气 自动化 , 一 一