在工业应用的变频调速系统中，晶闸管常作为功率开关元件应用于逆变器中。但由于晶闸管本身并没有关断能力，因此，在用于逆变器时还必须设置有强迫换流环节，从而引入了大量的换流元件致使系统大为复杂，相应地提高了装置的成本。另外晶闸管的关断速度不够快，不能满足高速传动的要求。

随着电力电子技术的发展，大功率晶体管的容量不断扩大而价格逐渐降低，并已广泛应用于逆变器中，使得逆变器的容量可达几千伏安。

下面将讨论大功率晶体管作为功率开关元件即功率驱动电路的有关问题。

4.3.3.1　大功率晶体管的基极驱动电路

通常大功率晶体管是由基极信号来控制其导通和关断的，因此，基极驱动电路必须适应晶体管本身的要求。大功率晶体管的电流放大倍数随集电极电流而变化，当集电极电流接近其最大标称值时，电流放大倍数则急剧下降。影响电流放大倍数变化的还有结温，若在温度变化时仍要维持饱和电压Vce不变，则基极电流应增大2~2.5倍，基极电流的增加虽然可使晶体管的导通时间ton缩短，损耗减小；但大功率管过大的饱和将会延长存储时间ts和关断时间toff，因此在设计基极驱动电路时应全面考虑这些。

1.分立元件构成的驱动电路

如图4.27所示为一个较理想的驱动电路。

驱动信号经光电隔离后加在S点上，当S点为正时，VT1导通而VT2关断，此时GTR的基极电流经路线E1—VT1—RC—VD3—b—e—E1。电容上的初始电压为右正左负，基极电流波形为理想的过驱动波形，使得GTR很快导通。随着GTR导通，集电极电压uc下降，则VD1导通分流以阻止GTR进一步饱和。二极管VD3用来补偿VD1的电压降，在Vbe=uce时达到平衡，因此可以限制Vce=2~2.5V，比饱和电压Vce（sat）略低。若Ie增加和Vce下降，则使VD1的分流增加，所以Ib减小，这样使得Vce仍保持并接近于饱和状态。

当S点的驱动信号变为负时，GTR关断。VT1关断而VT2导通，电容C上左正右负的初始电压和电源E2串联起来，通过GTR的e—b—VD2放电。从而形成一个大的电流使得GTR的存储时间ts和关断时间toff缩短。在GTR关断后，Re-b增加，用VD4来限制反向电压。VT2仍能经R—VD2—VD4—E2而导通。因此如出现很大的使Vce变化，但不会有IC流过，GTR的损耗不会增加。

图4.27　GTR驱动电路

图4.27所示的驱动电路需要正负两路电源，使得驱动电路变得复杂。下面再介绍一个只需要一路电源且带有反偏电压的驱动电路，如图4.28所示。

当输入信号为高电平时，光敏二极管的反向电流流过VT1的基极、VT1导通、VT2截止、VT3和VT4导通、VT5截止，逆变器中的功率晶体管GTR导通。电容C2充有左正右负的电压。当输入信号为低电压时，光敏二极管中的电流为零，VT1截止、VT2导通、VT3和VT4截止、VT5导通，此时电容C2经VT5→GTR的e、b→VD4放电，放电电流即为GTR的反向基极电流，使GTR很快截止。当GTR截止后，C2经VT5→VD5→VD4放电，由于VD5导通，GTR的be结承受反向偏压，保证GTR可靠截止。此外，C2还通过VT5的e、b→VT2的c、e→VD5→VD4放电，为VT5提供基极电流。

图4.28　具有反向偏压的驱动电路

2.厚膜驱动电路

伴随着功率晶体管模块的问世，各种厚膜驱动电路相继产生。这些模块驱动电路具有集成度好、性能稳定、规格齐全，能使大功率晶体管变频器结构紧凑、工作可靠。这里以模块驱动电路MPD1202为例介绍。

MPD1202可以驱动1000V、100A以下功率晶体管模块的一个单元，输入为一般的TTL门电路，输出端接模块基极，为GTR提供导通和关断的基极电流（电压）。MPD1202的内部电路原理如图4.29所示的虚线框内，全部元件均集成在厚膜电路中。对外绝缘电压高于2000V，各引脚的功能如下：

（1）①②为输入端。

（2）⑧接正电源。

（3）④接负电源。

（4）③接正电源的零电位。

（5）⑥端向模块GTR基极提供正向电流。

（6）⑤端向模块：GTR基极提供负的基极电流或电压。

（7）⑦端通过外接电阻接到正电源。

图4.29　MPD1202内部电路原理图

在应用MPD1202驱动晶体管模块时，需要在厚膜电路外接适当的电阻、电容，如图4.29所示虚线框外电路，其工作原理是：当输入VIN为高电平时，VT1导通、VT2截止、VT3和VT4导通，这时电源通过外接电阻和VT4由⑥端输出正电压使GTR导通。当输入VIN为零电平时，VT1截止，VT2、VT5和VT6导通，⑤端输出负电压加到GTR的基极，加快了模块关断。

现如今模块驱动电路的品种较多，读者可查阅相关资料。

3.最佳基极驱动电路μAA4002

μAA4002具有“最佳基极电路控制和综合保护”功能的大规模集成电路，能实现对功率晶体管主动分散保护。μAA4002采用16脚双列直插式塑封，引脚功能如图4.30所示，其内部原理如图4.31所示。

使用μAA4002作为功率晶体管基极驱动电路时，其设计要点如下：

图4.30　μAA4002引脚图

图4.31　μAA4002原理图

（1）能把接收到的逻辑信号变为加在大功率晶体管GTR上的基极电流，这一基极电流以保证GTR处于临界饱和为出发点而进行调节，从而有效地减少晶体管关断时存储时间。μAA4002的最大输出电流为0.5A，用户可以通过增加一个或几个外部晶体管加以扩大。

（2）μAA4002可以给GTR提供一幅值为3A的反向电流，这一电流足以使大功率晶体管快速关断，因而晶体管集电极电源下降时间极短，减少了关断损耗。同样，反向基极电流亦可通过增加外部晶体管加以放大。

（3）μAA4002内部的高速逻辑处理器用来保护大功率晶体管。在晶体管导通时，该处理器监控集射极饱和压降和集电极电流，同时也监控集成块的正负电源和芯片本身的温度，并按用户编程决定最小和最大导通时间。一旦发生任一非正常情况，μAA4002便存储错误信息，在导通周期结束后，防止任何导致GTR再导通的现象。

μAA4002还有其他一些功能，下面简要介绍它有关接口和功能的实现。

（1）输入接口。输入接口主要是为自调节或控制器件的信号与内部逻辑处理器的信号提供必要的变换，根据施加在SE端的逻辑电平的不同，分为电平和脉冲两种控制方式。如图4.32所示。

图4.32　μAA4002的控制方式

（a）电平控制；（b）脉冲控制

当SE端加上高电平时，选用电平方式，此时可将SE端浮置，或通过4.7kΩ电阻连接至正电源VCC。E端与TTL和COMS电平兼容，逻辑电平为“1”时有效。输出信号与输入信号的延迟时间大约为300ns。

当SE端加上低电平时，选用脉冲方式；此时μAA4002由交变脉冲控制，输入端E的控制信号的幅度至少为±2V，且低于电源电压V-和VCC，而脉冲的宽度不小于100ns。而输出信号与输入信号的延迟时间大约为300ns。

（2）μAA4002的输出级。μAA4002的输出级分为正驱动级和负驱动级两部分。正驱动级开通功率晶体管，而负驱动级关断功率晶体管，其功能如图4.33所示。

图4.33　μAA4002的输出级

在图4.33中闭合开关K1，由两个三极管接在一起组成的复合三极管，即达林顿管VT1导通，正向电流Ib1流入GTR的基极电路，GTR导通。为了使GTR保持在准饱和状态，该基极电流的大小可自动调节。闭合开关K2，达林顿管VT2导通，负电压V-加到GTR的基极，从而产生较高的负基极电流Ib2，使得晶体管快速关断。与正驱动级一样通过增加外部晶体管来放大输出电源。

μAA4002的其他一些详细功能，如最大、小导通时间（tON（max）、tON（min））、延时和保护功能、电源电压的监测等功能这里不详述，可参考其他相关资料。

应用μAA4002组成的具有多种保护功能的大功率晶体管驱动电路如图4.34所示。

图4.34　μAA4002构成的驱动电路

4.3.3.2　大功率晶体管的保护

由于大功率晶体管的耐浪涌能力低，因此功率晶体管的保护尤其重要。在工作运行中，除了必须工作在极限参数（ICmax、BVCEmax、PCmax）以内，还要特别防止二次击穿，以免造成器件的永久性损坏。

为了有效防止二次击穿，可以采用如下的几种方法：

（1）改进制造工艺。

（2）加大使用时的安全裕量。

（3）改善电路中的使用条件（如限制电机的启动、制动电流），完善保护电路等。(www.daowen.com)

图4.35　过电压及保护电路

下面介绍一些功率晶体管的保护电路。

1.过电压及保护

若大功率晶体管用于开关电路，如图4.35所示中的续流二极管VD1，其对桥臂电感或电源电路中的电感所引起的过电压不能起到保护作用。此时可在电路中加入RC保护电路。还可以在电阻R上并联一个二极管VD2来减少保护电路的损耗。

对于功率晶体管模块一般已有续流二极管，功率晶体管模块的过电压及保护只需外加RCD即可。

2.过电流保护

工作于开关工作状态下的大功率晶体管的基极电流一般为恒值。如果负载侧或电源侧出现故障而产生过电流时，晶体管就可能退出饱和区，工作在安全区域之外。因此，在过载时必须切断基极电流Ib以保护功率晶体管。

图4.36　过流保护电路

过电流信号通常由串入逆变电路中的电阻或电流传感器检测，如图4.36所示。在用电阻检测时，增加了电路的损耗，适用于小容量系统。

新近推出的霍尔电流传感器具有精度高、响应快且线性度好的优点，适用于变频器的电流检测。

过流保护如果采用分段保护则更加理想，即在电流达到规定的极限值时，瞬时切断基极电流；而在过载时则随过载的大小而延时切断基极电流，从而具有反时限的过电流保护特性。

4.3.3.3　PWM大规模集成电路HEF4752

HEF4752是专门设计用来产生正弦脉宽调制（PWM）信号的大规模集成电路。它采用28脚双列直插式塑封，各引脚的名称和功能如下，引脚排列参看图4.37所示。

（1）逆变驱动输出：

引脚8　　ORM1　R相主

引脚9　　ORM2　R相主

引脚10　ORC1　　R相换相

图4.37　　HEF4752引脚排列图

引脚11　　ORC2　　R相换相

引脚22　　OYM1　　Y相主

引脚21　　OYM2　　Y相主

引脚20　　OYC1　　Y相换相

引脚19　　OYC2　　Y相换相

引脚3　　OBM1　　B相主

引脚2　　OBM2　　B相主

引脚1　　OBC1　　B相换相

引脚27　　OBC2　　B相换相

（2）控制输入：

引脚24　　L　　启动/停止

引脚25　　I　　晶体管/晶闸管选择

引脚7　　K　　推迟间隔选择

引脚5　　CW　　相序选择

引脚13　　A　　试验信号

引脚15　　B　　试验信号

引脚16　　C　　试验信号

（3）时钟输入：

引脚12　　FCT　　控制输出频率

引脚17　　VCT　　控制输出电平

引脚4　　RCT　　控制最高开关频率

引脚6　　OCT　　控制推迟间隔或最小脉冲宽度

（4）控制输出：

引脚23　　RSYN　　R相同步信号、触发示波器扫描

引脚26　　VAV　　模拟输出平均电压

引脚18　　CSP　　指示理论上的逆变开关频率

（5）电源：

引脚28　　VDD　　正电源

引脚14　　VSS　　地

HEF4752集成电路输出三对互补的脉宽调制驱动波形：ORM1、ORM2，OYM1、OYM2，OBM1、OBM2，由它们去驱动三相逆变桥功率元件产生对称的三相输出。

当控制输入端I为低电平时输出波形适宜驱动晶体管逆变器，而为高电平时适于驱动晶闸管逆变器。

输入CW用于控制相序；当CW为高电平时，相序为RYB；反之为RBY，用于控制电机的旋转方向。

控制输入端L为低电平时，封锁所有的脉宽调制驱动输出，其不但能启停电机，还起到电流保护的作用。

为了避免逆变桥中同一相上下两只开关元件同时导通引起短路，在切换时插入互锁推迟间隔，以确保有足够的换相时间。

在HEF4752集成电路中，由推迟间隔选择端K和时钟输入OCT共同决定推迟间隔的长短。当K端为高电平时，推迟间隔时间；而当K为低电平时，。

三相PWM输出波形的频率、电压和每周期的脉冲数，分别由三个时钟输入来决定：

（1）FCT：决定逆变器的频率fOUT。当加在FCT端的时钟频率为fFCT时，fOUT。

（2）VCT：决定PWM调制深度。时钟输入频率fVCT越高，调制深度越小，逆变器输出电压就越小。逆变器输出电压，K2为常数。

（3）RCT：决定逆变开关的最大频率fS（max）。当加在RCT端的时钟频率为fRCT时，fRCT与逆变开关频率fS（max）的关系为：fRCT=260fS（max）。一旦选定了最高逆变开关频率，fRCT就为一固定频率。为了简化系统，在多数情况下，可使fOCT=fRCT。逆变开关频率fS是输出频率的整数倍，即有fS=NfOUT。在HEF4752中，常使用下面8个N值作为频比，它们均为3的整数倍：15、21、30、42、60、84、120、168。