臭氧電源驅(qū)動保護電路的設(shè)計與實現(xiàn)
關(guān)鍵詞：臭氧電源；IGBT；EXB841
O 引言
用介質(zhì)阻擋放電法(DBD法)的大功率臭氧發(fā)生設(shè)備已廣泛應(yīng)用于自來水、泳池水處理以及污廢水的深度處理，在提高生活用水質(zhì)量和環(huán)境保護領(lǐng)域起著越來越重要的作用。臭氧發(fā)生設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)是用IGBT實現(xiàn)的高壓逆變電源，而IGBT的可靠驅(qū)動與保護是高性能電源的重要保障。JGBT專用驅(qū)動芯片EXB841，具有正負偏壓、過流檢測、故障保護和軟關(guān)斷等主要功能特征，在300A容量以下的IGBT驅(qū)動中得到了廣泛應(yīng)用。但它存在著許多不足，有待進一步完善與改進，以便更好地滿足IGBT、的驅(qū)動要求，實現(xiàn)IGBT驅(qū)動電路性能的優(yōu)化。本文結(jié)合研制的大功率DBD型臭氧電源，在探討IGBT的驅(qū)動要求和EXB84l在應(yīng)用中的不足的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計了一種新的基于EXB841的優(yōu)化驅(qū)動電路，并給出了實驗結(jié)果。臭氧逆變電源的實際運行結(jié)果說明該設(shè)計是合適的，不僅克服了原EXB841典型應(yīng)用的不足，而且還極大地改善了IGBT的驅(qū)動與保護性能。
1 臭氧電源系統(tǒng)的組成及其工作原理
圖1所示為臭氧電源系統(tǒng)原理框圖，整個系統(tǒng)由主電路、控制電路和驅(qū)動電路組成。主電路包括整流電路、逆變電路；控制電路主要包括IGBT驅(qū)動電路、晶閘管智能模塊觸發(fā)電路、保護電路和軟啟動電路。根據(jù)介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生臭氧的機理，臭氧發(fā)生器可等效為由Cd(介質(zhì)等效電容)、Cg(氣隙等效電容)和Vz放電維持電壓)組成的等效電路。對于供電電源來說，發(fā)生器是一非線性容性負載。
整流電路采用三相整流智能控制模塊，該模塊高度集成了晶閘管主電路和移相控制電路，且具有過熱、過流、缺相保護功能，使用起來非常方便。電容C1很大，因而直流輸入可近似地等效為一個電壓源，電感L主要起平波作用。電源的功率調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)全控整流橋晶閘管的觸發(fā)角a來實現(xiàn)的。逆變電路采用PWM控制，輸出電壓波形為頻率變化的方波，此方波電壓經(jīng)中頻升壓變壓器升壓后給臭氧發(fā)生器供電。S1一S4為IGBT功率管，C2為防止變壓器偏磁的隔直電容。采用頻率跟蹤技術(shù)使逆變橋工作頻率接近于負載偕振頻率，即準(zhǔn)諧振狀態(tài)，負載由補償電感Ls(包括變壓器漏感)和臭氧發(fā)生器串聯(lián)組成，實現(xiàn)對功率因數(shù)的補償。
2 IGBT的驅(qū)動要求
IGBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件。IGBT的門極驅(qū)動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路電流能力及dv／dt等參數(shù)，并決定了lGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性。因此，在使用IGBT時，最重要的就是要設(shè)計好驅(qū)動與保護電路。IGBT對驅(qū)動電路有如下要求。
2.1 柵極驅(qū)動電壓U
由于IGBT開關(guān)速度較高，關(guān)斷時很高的di／dt將在分布電感上產(chǎn)生較高的關(guān)斷浪涌電壓，其值可能超過IGBT的集射極間耐壓值而造成器件損壞。當(dāng)Uge增加時，導(dǎo)通狀態(tài)下的集射極電壓Uce減小，開通損耗下降，但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此，Uge的選擇應(yīng)折衷考慮。為保證IGBT在集射極間出現(xiàn)dv／dt噪聲時可靠關(guān)斷，關(guān)斷時必須在柵極施加負偏壓。特別應(yīng)當(dāng)注意，若這個負電壓值太小，集電極電壓變化率dv／dt可能使管子誤導(dǎo)通或不能關(guān)斷。
2．2 柵極串聯(lián)電阻Rg及柵射電阻Rgt
為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少1GBT集電極上的電壓尖脈沖，須在柵極串接電阻Rμ。但增大Rg會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加；而減小Rg又會使di／dt增加，可能引發(fā)誤導(dǎo)通或損害IGBT。由于lGBT屬于壓控器件，當(dāng)集射極間加有高電壓時，很容易受外界干擾，使柵射極電壓超過導(dǎo)通時的門檻電壓，引起器件誤導(dǎo)通，尤其是在橋式逆變器中易造成橋臂直通。為防這類現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)在柵射極間并接30 kΩ左右的電阻Rge。
2.3 驅(qū)動電路的電源
驅(qū)動電路的電源應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)有足夠的功率，以滿足柵極對驅(qū)動功率的要求，能提供足夠高的正負柵壓。在大電流應(yīng)用場合，每個柵極驅(qū)動電路最好都采用獨立的分立絕緣電源。驅(qū)動電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨立，以減小相互問的干擾。
日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅(qū)動電路。其功能比較完善，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。
3 驅(qū)動芯片ExB84l
圖2是EXB841的內(nèi)部原理圖，其主要有3個工作過程：正常開通過程、正常關(guān)斷過程和保護動作過程。保護動作過程是根據(jù)IGBT開通期間其集射極間電壓Uce的大小判定是否發(fā)生過流而進行保護的。當(dāng)IGBT開通時，若發(fā)生短路，Uce上升很多，會使得D7截止，EXB841的腳6“懸空”，B點和C點電位開始上升；當(dāng)上升至13V時，VZ1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，D6導(dǎo)通，從而使IGBT的集射極間電壓Uge下降，實現(xiàn)緩關(guān)斷，完成EXB841對IGBT的保護。作為IGBT的驅(qū)動芯片，EXB84l有著眾多的優(yōu)點，但也存在著下列不足。
3．1 過流保護閾值太高
過流保護的閾值設(shè)置不合理。ExB84l判定過流的主要依據(jù)是腳6電壓。腳6電壓不僅和Uce有關(guān)，還和D7的導(dǎo)通電壓有關(guān)。由于D7在O 5～0．6V時即可開通，故可知過流時Uce約為7 5V(=13—5—0.5=7．5v)。而通常IGBT在通過額定電流時導(dǎo)通壓降約為3．5V，當(dāng)Uce=7．5V時IGBT已嚴重過流。
3．2 負偏壓不足
負偏壓偏低是EXB84l的一個致命弱點。EXB841設(shè)置負柵壓是為了防止較高dv／dt而引起ICBT誤動作。但在高壓大電流時，開關(guān)管通斷會在負柵壓信號中產(chǎn)生很大的干擾尖刺，使截止的lGBT誤導(dǎo)通。對于全橋電路則存在直通的可能，因而有必要適當(dāng)提高負偏壓。實際表明，在合理布局的基礎(chǔ)上，一般須采用8V左右的負偏壓才能滿足要求。
3．3 存在虛假過流
一般大功率IGBT的導(dǎo)通時間ton在lμs左右，但其尾部電壓下降是較慢的。實驗表明，當(dāng)電源電壓較高時，Uce下降至飽和導(dǎo)通壓降通常約需4～5μs，而過流檢測的延遲時間約為2．7μs，于是在使用中往往會出現(xiàn)虛假過流。因而腳5輸出信號應(yīng)延時5μs，以識別真假過流，并使真正過流在內(nèi)部軟關(guān)斷后才封鎖PWM信號。
3.4 過流保護無自鎖功能
在過流保護時，只具有當(dāng)前脈沖軟關(guān)斷功能，而不是完全關(guān)閉。如果存在過流，它只能把正常的驅(qū)動信號變成一系列降幅脈沖，連續(xù)工作亦可能導(dǎo)致器件損壞。這就需在過流檢測時，當(dāng)防誤觸發(fā)和保證軟關(guān)斷后，必須能自動鎖定過流信號，同時終止其輸出。
4 驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計
針對上述EXB84l典型應(yīng)用中存在的不足，在設(shè)計臭氧逆變電源中，研究與設(shè)計了基于EXB841的優(yōu)化驅(qū)動電路，如圖3所示。
輔助電源電壓采用24V。這是因為負偏壓影響保護特性，負偏壓和保護閾值電壓之和不得高于1 3V，否則將被視為過流狀態(tài)而不能正常工作。為降低保護閾值電壓，即過流時的Uce值，可通過外接穩(wěn)壓管提高負偏壓，這時正向驅(qū)動電壓將下降，因此，為保證正向驅(qū)動電壓而適當(dāng)?shù)靥岣吡穗娫措妷骸?BR>
外接辦法是斷開EXB841的腳l與IGBT發(fā)射極E間的連線，如圖3所示，用外接的穩(wěn)壓管代替EXB84l內(nèi)部的穩(wěn)壓管VZa，此時應(yīng)使穩(wěn)壓管兩端并有電容，同時也須根據(jù)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值適當(dāng)調(diào)整其所在支路的限流電阻。本電路選用了穩(wěn)壓值為8V的穩(wěn)壓管，限流電阻4．7kΩ，穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)電容為O 33μF。為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰，在柵射極問并接了兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。
對于偏高的保護動作閾值難以起到有效的保護作用，除用短路等輔助保護外，仍須配合電流傳感器進行過流保護。為了適當(dāng)降低動作閾值，已提出過采用高壓降檢測二極管或采用串接反向穩(wěn)壓管及二極管的方法，但其調(diào)整受到較大限制。而本改進電路不僅可使實際過載電流小于IGBT的極限過載電流，而且還實現(xiàn)了保護電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)和較準(zhǔn)確控制。
為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩以及減少IGBT集電極高電壓尖脈沖，須在柵極串聯(lián)電阻Rgo但是，在開通IGBT時，Rg增大會使IGBT的導(dǎo)通時間延長，能耗增加，因此需要減小Rg；而在關(guān)斷IGBT時，由于(dv／dt較大，會導(dǎo)致IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)，因此需要增大Rg以延}乏關(guān)斷時間，減小過電壓。為此對電路進行了部分改進，采用了不對稱的開啟和關(guān)斷的方法。如圖3所示，在IGBT開通時，EXB841的腳3提供+15V觸發(fā)電壓，此時兩個電阻并聯(lián)使Rg值較小，在IGBT關(guān)斷時，EXB841提供一8V電壓，此時二極管D1截止，Rg=Rg2值較大，可以增大關(guān)斷時間，減小過電壓。當(dāng)然，Rg阻值的增加會加大[GBT的開關(guān)損耗，因此，要合理選擇Rg1和Rg2的阻值。
對于EXB84l驅(qū)動中產(chǎn)生的虛假過流以及無過流自鎖，如圖3所示，可通過外接光耦將信號傳輸給外部保護電路，經(jīng)過一定延時以防止誤動作和保證進行軟關(guān)斷后由觸發(fā)器鎖定。延時是為了使lGBT軟關(guān)斷后再停止觸發(fā)信號，避免了立即停止觸發(fā)信號造成硬關(guān)斷，同時還極大地提高了抗虛假過流的能力。本鎖定保護電路其工作原理是：當(dāng)過流檢測信號超過設(shè)定值時，過流高速比較器LM319輸出高電平，電容C2通過R7充電，若LM393持續(xù)低電平時間大于設(shè)定保護時間(一般是5tμs)，穩(wěn)壓管VD1被擊穿，三極管Q2飽和導(dǎo)通，輸出低電平，經(jīng)R—S觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)、鎖定，并送至SG：3525的腳10，停止PWM波輸出。由于EXB84l的腳5被置為低電平，IGBT在此過程中緩關(guān)斷。若是EXB84l誤觸發(fā)，則自動恢復(fù)到工作狀態(tài)。
5 實驗結(jié)果
實驗驅(qū)動波形如圖4所示，反向關(guān)斷電壓為一7．8V，正向驅(qū)動電壓為15．2V，正負偏壓同時得到了調(diào)整，且波形呈規(guī)則的矩形波。實驗中還發(fā)現(xiàn)若穩(wěn)壓管兩端未并接電容，則正向驅(qū)動電壓上升沿仍然很陡，而由正向驅(qū)動電壓向反向關(guān)斷電壓切換時，先有一很陡的快速F降過程，接近0V時，經(jīng)過緩慢的過渡過程才達到穩(wěn)態(tài)反向關(guān)斷電壓。這是由于反向充電時間常數(shù)過大引起的。
原EXB84l典型驅(qū)動電路應(yīng)用到臭氧電源時，電源系統(tǒng)極易m現(xiàn)故障，表現(xiàn)為：由于負偏壓不足，導(dǎo)致內(nèi)部穩(wěn)壓管損壞；在橋式電路中，lGBT發(fā)生直通現(xiàn)象，IGBT經(jīng)常炸毀；由于臭氧電源中強電磁干擾的存在，致使EXB84l在電流較小時就產(chǎn)生虛假過流故障報警，使得設(shè)備無法正常運行，從而使保護功能失效。改進后的優(yōu)化電路使以上幾種故障均得以消除，設(shè)備能長時間可靠運行。從驅(qū)動波形看，正負偏壓均得到了提高。同時，由于用外接穩(wěn)壓管替代r內(nèi)部穩(wěn)壓管，故在產(chǎn)生故障時， 一般只是燒毀外接穩(wěn)壓管，從而保護了FXB841，降低了設(shè)備的維修成本．圖5為該臭氧設(shè)備正常運行(準(zhǔn)諧振狀態(tài))時的電壓電流波形，黑色波形為放電電流波形。
6 結(jié)語
EXB841改進型驅(qū)動電路具有較好的實用性，既提高了EXB84l驅(qū)動能力，又具有很強的過流信號識別功能，從而對過流真正起到了保護作用。將改進后的驅(qū)動電路應(yīng)用到臭氧電源后，電源性能得到大幅度提高，滿足r高濃度、高產(chǎn)量臭氧發(fā)生器的要求。本文對于合理應(yīng)用EXB841設(shè)計IGBT驅(qū)動電路，有著較大的參考價值。
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