硬驱动技术实现单位关断增益

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图3-28给出了GTO的驱动电路[14]。图3-28 含有GTO驱动电路的实物表3-2比较了普通GTO与HD-GTO的性能参数[18]。由图3-29c可见，采用“硬驱动”电路关断时，所有阳极电流均从门极流出，故其关断增益βoff为1。所以，“硬驱动”技术的典型特征就是可实现单位关断增益。

1.硬驱动的定义

所谓“硬驱动”是指在器件关断过程中极短的时间内，给门极加上电流上升率及幅值都很大的驱动信号，使器件的存储时间大大缩短，从而获得较大的安全工作区和器件的无吸收工作^[16]。

传统的GTO采用了庞大的门极驱动电路，导致其门极回路的电感很大；硬驱动GTO（HD-GTO）则是通过改进驱动电路与GTO的连接方式以减小门极回路的电感，从而实现“硬驱动”。图3-28给出了GTO的驱动电路^[14]。可见，HD-GTO就是将GTO封装体与门极驱动电路的引线电感尽可能地减小（约为8nH），从而提高门极电流的上升率。

图3-28 含有GTO驱动电路的实物

表3-2比较了普通GTO与HD-GTO的性能参数^[18]。可见，采用普通“软驱动”电路时，门极电流上升率di_G/dt较小，幅值较低；而采用“硬驱动”电路时，di_G/dt较大，幅值较高。所以，采用“硬驱动”电路可使GTO的开通能耗和存储时间大大减小，最大可关断电流I_TGQM和关断du/dt容量明显增加，关断时吸收电容和门极驱动功耗也大大减小。

表3-2 4.5kV/3kA/125℃普通GTO与HD-GTO的性能参数比较

（续）

图3-29比较了GTO在不同工作状态下的等效电路^[16]。由图3-29a可知，导通时阴极电流I_K等于阳极电流I_A（因为门极电流I_G很小）。由图3-29b可见，正常关断时只有1/4的阳极电流从门极流出，关断增益为4（即β_off=4）。由图3-29c可见，采用“硬驱动”电路关断时，所有阳极电流均从门极流出，故其关断增益β_off为1。所以，“硬驱动”技术的典型特征就是可实现单位关断增益。

图3-29 GTO在不同关断增益下的等效电路比较

GTO在单位关断增益下的关断波形如图3-30所示^[19]。采用“硬驱动”电路关断时，J₃结瞬间截止，阴极电流I_K为零，于是门极电流I_G与阳极电流I_A大小相等，p₂基区的载流子移除速度很快，使存储时间大大缩短，约为1μs（正常关断时的存储时间约为20μs）。因为在正常关断的情况下，门极电流小于阳极电流，所以载流子移除速度较慢。并且，在存储期时阴极电流并不为零，阴极区仍有载流子注入。

图3-30 GTO在单位关断增益下的关断波形

采用单位增益关断，使GTO各单元存储时间t_s的差异减小，器件内部的电流趋于均匀分布，可以改善GTO的RBSOA。即使有两个单元的t_s不同（如t_s1＜t_s2），在t₂时刻，存储时间短的GTO₁先关断，其电流将转移到存储时间稍长的GTO₂，使其中的电流增大。由于GTO₂的阳极电流增大，其门极电流也增大，少子移除速度也较快，存储时间t_s2就可缩短，于是形成了一个负反馈。可见，采用单位增益关断更有利于实现均流。相比较而言，在正常关断增益下，由于t_s不同，导致GTO的电流集中于t_s较长的单元，这个过程极大地限制了GTO门极所能承受的平均功耗，因此必须有一个du/dt吸收电路来限制阳极电压上升率。采用单位增益关断，可提供均匀的电流分布，整个GTO在关断期间可承受更高的平均瞬态功率，因而可在无du/dt吸收电路的条件下关断。

2.硬驱动的优点

采用门极“硬驱动”，不仅可使GTO的开通di/dt提高，延迟时间缩短，损耗下降，而且可使关断的du/dt耐量和最大可关断电流提高，存储时间缩短。更重要的是，它可以降低门极电路电感，减小门极驱动电路的元件数、热耗散、电应力及内部热机械应力，从而显著地降低门极驱动电路的成本和失效率。

硬驱动技术实现单位关断增益

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