一.普通晶體管(Thyristor)也稱(chēng)可控硅(SCR)，是靠門(mén)極電流觸發(fā)的半可控器件，具有正反向阻斷能力，而門(mén)極觸發(fā)電流是通過(guò)在門(mén)極G和陰極K之間施加觸發(fā)電壓產(chǎn)生的。其等效工作原理如圖一所示。

圖一 可控硅等效工作原理

從虛線框內(nèi)的等效電路可以看出，T1、T2彼此基極與集電極互連，門(mén)極注入觸發(fā)電流Ig后，形成強(qiáng)烈的正反饋，兩個(gè)等效三極管T1、T2進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即SCR導(dǎo)通狀態(tài)，可見(jiàn)，晶閘管一旦被觸發(fā)導(dǎo)通，門(mén)極就失去了控制作用，即觸發(fā)脈沖可暫時(shí)撤除了。這與全控型器件不同，導(dǎo)通與關(guān)斷期間并不需要持續(xù)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但高壓大電流SCR需要的短暫觸發(fā)電流比較大，為可靠觸發(fā)SCR開(kāi)通且縮短開(kāi)通時(shí)間，觸發(fā)脈沖必須前沿陡峭且具有足夠的幅值，圖二的逆變觸發(fā)電路中，采用強(qiáng)觸發(fā)方式，可以較好地解決大功率SCR的觸發(fā)控制問(wèn)題，觸發(fā)波形如圖二左側(cè)所示。

圖二 SCR觸發(fā)電路及強(qiáng)脈沖波形

圖二中的C5、C6為加速電容，通過(guò)脈沖變壓器(PTR)及整形二極管產(chǎn)生脈沖的前沿尖峰，形成SCR強(qiáng)觸發(fā)脈沖，進(jìn)而產(chǎn)生SCR所需的強(qiáng)觸發(fā)門(mén)極電流。可以從不同角度來(lái)理解加速電容的作用。PTR初級(jí)具有感性，會(huì)阻礙電流增大，不利其快速儲(chǔ)能，電容是其對(duì)偶元件，電流可以突變，可補(bǔ)償電感阻礙電流的作用，加速了PTR的能量轉(zhuǎn)換和傳輸，有利于輸出尖峰脈沖；也可把T5輸出的信號(hào)看成非正弦周期方波，PTR初級(jí)同名端也看成輸出方波，按傅里葉級(jí)數(shù)，其恒定分量加在電阻上，而對(duì)于其他各次正弦諧波分量，因電容阻抗較小，電流可以順利通過(guò)，C5旁路了電阻的阻礙作用，進(jìn)而產(chǎn)生加速效果。為全面了解強(qiáng)脈沖產(chǎn)生過(guò)程，簡(jiǎn)單介紹一下觸發(fā)電路組成。Us為跟蹤觸發(fā)正弦信號(hào)，由主電路電壓信號(hào)和補(bǔ)償電容(諧振電容)電流信號(hào)合成，在a、b兩輸入端分成兩半，分別加于左右電路，在Us由正向負(fù)過(guò)渡時(shí)出脈沖，相位差為180度。以左側(cè)為例，T3為射極跟隨器，同相放大電流；C3、R11構(gòu)成微分電路，實(shí)質(zhì)為高通濾波器，產(chǎn)生的尖脈沖用于控制達(dá)林頓管T5，尖脈沖寬度決定了最終輸出的強(qiáng)脈沖寬度。

二. 為加深對(duì)加速電容的理解，再舉例說(shuō)明其在IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用。IGBT為靠柵極電壓觸發(fā)的全控型器件，導(dǎo)通或關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要持續(xù)施加，這與SCR的一觸即發(fā)不同，它的驅(qū)動(dòng)電路需求是既能快速開(kāi)通，也要能以適當(dāng)?shù)乃俣汝P(guān)斷。IGBT隔離驅(qū)動(dòng)PTR與SCR觸發(fā)用PTR 的特性是不同的，IGBT的PTR要能比較完整地傳輸、放大PWM信號(hào)。以圖三為例，說(shuō)明加速電容作用及相關(guān)內(nèi)容。

圖三 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

這里的加速電容C1不僅具有加速驅(qū)動(dòng)脈沖形成，縮短IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間，降低開(kāi)關(guān)損耗的作用，還有保持驅(qū)動(dòng)脈沖完整性的作用。圖三的T1~T4構(gòu)成橋式脈沖放大電路，跟隨PWM_A、PWM_B信號(hào)變化，輸出相位相反的脈沖，A高電平B低電平時(shí)，T2、T4導(dǎo)通；B高電平A低電平時(shí)，T1、T3導(dǎo)通。如果沒(méi)有電容C1，PTR輸入脈沖中的高頻電流分量將會(huì)受到PTR初級(jí)線圈電感量的抑制而難以通過(guò)，加上C1后，補(bǔ)償了電感的作用，驅(qū)動(dòng)脈沖中的直流分量通過(guò)電阻R5施加，而高頻交流分量主要通過(guò)C1施加，PTR就能完整地傳輸已放大的PWM信號(hào)。改變C1容值，還有調(diào)節(jié)死區(qū)電壓的輔助作用。驅(qū)動(dòng)電路是為IGBT服務(wù)的，IGBT的特性需要知道，否則對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的組成是難以理解的。IGBT的等效電路如圖四所示。

圖四 IGBT等效電路

由虛線框內(nèi)的IGBT等效電路可知，它是一種復(fù)合器件，輸入控制部分為NMOS，輸出級(jí)為BJT，內(nèi)部晶體管T1和T2相當(dāng)于是一個(gè)寄生晶閘管，過(guò)大的集電極電流會(huì)引起正反饋擎住效應(yīng)；由于結(jié)電容的存在，過(guò)快地關(guān)斷IGBT，du/dt會(huì)過(guò)大，也會(huì)動(dòng)態(tài)地引起擎住效應(yīng)。無(wú)論什么原因引起的擎住效應(yīng)，都會(huì)使柵極G失去控制作用，造成主電路短路而燒壞IGBT?；谶@些認(rèn)知，與MOS管一樣，柵射電壓Uge是不能超過(guò)±20V的，一般使用15V電壓;DZ1~DZ4就是用來(lái)限制柵極電壓的，防止過(guò)高電壓擊穿內(nèi)部MOS管柵極絕緣層；C11~C14具有在IGBT關(guān)斷時(shí)，避免Uge和Uce變化過(guò)快的作用，R11~R14也有減慢IGBT關(guān)斷的作用，這些措施都是防止出現(xiàn)擎住效應(yīng)。主電路中與IGBT并接的RC緩沖器，也有抑制du/dt過(guò)大的作用。

審核編輯：郭婷