基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路研究

 1 引  言

    多絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種由雙極型晶體管與MOSFET組合的器件，它既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關(guān)特性，又具有雙極型晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點(diǎn)，近年來在各種電能變換裝置中得到了廣泛應(yīng)用。但是，IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、快開關(guān)損耗、承受短路電流能力及du/dt等參數(shù)，并決定了IGBT靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。因此設(shè)計(jì)高性能的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路是安全使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)[1,2]。

    2 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

    （1）觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要陡峭；
    （2）柵極串連電阻Rg要恰當(dāng)。Rg過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大；
    （3）柵射電壓要適當(dāng)。增大柵射正偏壓對(duì)減小開通損耗和導(dǎo)通損耗有利，但也會(huì)使管子承受短路電流的時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此，正偏壓要適當(dāng)，通常為+15V。為了保證在C-E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓，以防止受到干擾時(shí)誤開通和加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗，幅值一般為-（5～10）V；
    （4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。

    當(dāng)然驅(qū)動(dòng)電路還要注意像防止門極過壓等其他一些問題。日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅(qū)動(dòng)電路。其功能比較完善，在國內(nèi)外得到了廣泛[2,3,4]。

    3 驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的控制原理

                            圖 1 EXB841的工作原理

     圖1為EXB841的驅(qū)動(dòng)原理[4,5]。其主要有三個(gè)工作過程：正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保護(hù)動(dòng)作過程。14和15兩腳間外加PWM控制信號(hào)，當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)施加于14和15引腳時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開通電壓；當(dāng)觸發(fā)控制脈沖撤銷時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過流保護(hù)動(dòng)作過程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過流而進(jìn)行保護(hù)的，Uce由二極管Vd7檢測。當(dāng)IGBT開通時(shí)，若發(fā)生負(fù)載短路等發(fā)生大電流的故障，Uce會(huì)上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開始由約6V上升，當(dāng)上升至13V時(shí)，Vz1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7和V3放電，E點(diǎn)的電壓逐漸下降，V6導(dǎo)通，從而使IGBT的GE間電壓Uce下降，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，完成EXB841對(duì)IGBT的保護(hù)。射極電位為-5.1V，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vz2決定。

    作為IGBT的專用驅(qū)動(dòng)芯片，EXB841有著很多優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足一般用戶的要求。但在大功率高壓高頻脈沖電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中，其不足之處也顯而易見。

   （1）過流保護(hù)閾值過高。通常IGBT在通過額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降Uce約為3.5V，而EXB841的過流識(shí)別值為7.5V左右，對(duì)應(yīng)電流為額定電流的2～3倍，此時(shí)IGBT已嚴(yán)重過流。

   （2）存在虛假過流。一般大功率IGBT的導(dǎo)通時(shí)間約為1µs左右。實(shí)際上，IGBT導(dǎo)通時(shí)尾部電壓下降是較慢的。實(shí)踐表明，當(dāng)工作電壓較高時(shí)，Uce下降至飽和導(dǎo)通時(shí)間約為4～5µs，而過流檢測的延遲時(shí)間約為2.7µs.因此，在IGBT開通過程中易出現(xiàn)虛假過流。為了識(shí)別真假過流，5腳的過流故障輸出信號(hào)應(yīng)延遲5µs，以便保護(hù)電路對(duì)真正的過流進(jìn)行保護(hù)。

   （3）負(fù)偏壓不足。EXB841使用單一的20V電源產(chǎn)生+15V和-5V偏壓。在高電壓大電流條件下，開關(guān)管通斷會(huì)產(chǎn)生干擾，使截止的IGBT誤導(dǎo)通。

   （4）過流保護(hù)無自鎖功能。在過流保護(hù)時(shí)，EXB841對(duì)IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷，并在5腳輸出故障指示信號(hào)，但不能封鎖輸入的PWM控制信號(hào)。

   （5）無報(bào)警電路。在系統(tǒng)應(yīng)用中，IGBT發(fā)生故障時(shí)，不能顯示故障信息，不便于操作。
        針對(duì)以上不足，可以考慮采取一些有效的措施來解決這些問題。以下結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用的具體電路加以說明。

    4 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

    本文基于EXB841設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，包括外部負(fù)柵壓成型電路、過流檢測電路、虛假過流故障識(shí)別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存電路，故障信息報(bào)警電路[5,6,7]。

    ⑴ 外部負(fù)柵壓成型電路

    針對(duì)負(fù)偏壓不足的問題，設(shè)計(jì)了外部負(fù)柵壓成型電路。

 如圖2所示，用外接8V穩(wěn)壓管Vw1代替驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓管Vz2，在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)了兩個(gè)電容值分別為105µf和0.33µf的去耦濾波電容。為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，在柵射極間并聯(lián)了反向串聯(lián)的16V（V02）和8V（V03）穩(wěn)壓二極管。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減小IGBT 集電極的電壓尖脈沖，需要在柵極串聯(lián)電阻Rg。柵極串連電阻Rg要恰當(dāng)，Rg過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大。優(yōu)化電路采用了不對(duì)稱的開啟和關(guān)斷方法。在IGBT開通時(shí)，EXB841的3腳提供+16V的電壓，電阻Rg2經(jīng)二極管Vd1和Rg1并聯(lián)使Rg值較小。關(guān)斷時(shí)，EXB841內(nèi)部的V5導(dǎo)通，3腳電平為0，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路在IGBT的E極提供-8V電壓，使二極管V01截止，Rg= Rg1具有較大值。并在柵射極間并聯(lián)大電阻，防止器件誤導(dǎo)通。

    ⑵ 過流檢測電路

    偏高的保護(hù)動(dòng)作閾值難起到有效地保護(hù)作用，必須合適設(shè)置此閾值。但由于器件壓降的分散性和溫度影響，又不宜設(shè)置過低。為了適當(dāng)降低動(dòng)作閾值，已經(jīng)提出了采用高壓降檢測二極管或采用串聯(lián)3.3V反向穩(wěn)壓二極管的方法。該方法不能在提高了負(fù)偏壓的情況下使用，因?yàn)檎?dǎo)通時(shí)，IGBT約有3.5V左右的壓降，負(fù)偏壓的提高使6腳在正常情況下檢測到的電平將達(dá)到12V左右，隨著IGBT的工作電流增大，強(qiáng)電磁干擾會(huì)造成EXB841誤報(bào)警，出現(xiàn)虛假過流。本優(yōu)化電路采用可調(diào)的電流傳感器。如圖2所示。L為磁平衡式霍爾電流傳感器，可測量交流或直流電流，反應(yīng)時(shí)間小于1µs，輸出電壓Uout同輸入電流有很好的線性關(guān)系。該電路通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻Rw1設(shè)定基準(zhǔn)電流幅值而完成保護(hù)，當(dāng)電流傳感器輸出大于給定值時(shí)，比較器輸出+15V的高電平至EXB841的6腳，使EXB841的軟關(guān)斷電路工作。

    ⑶ 虛假過流故障識(shí)別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存電路

     當(dāng)IGBT過流工作時(shí)，EXB841的6腳靠上文論述的過流檢測電路檢測到過流發(fā)生，EXB841進(jìn)入軟關(guān)斷過程。內(nèi)部電路（C3,R6）產(chǎn)生約3µs的延時(shí)，若3µs后過流依然存在，5腳輸出低電平作為過流故障指示信號(hào)，高速光耦6N136導(dǎo)通，三極管Vs01截止，過流高速比較器LM319輸出高電平，電容C03通過R06充電，若LM319輸出持續(xù)高電平時(shí)間大于設(shè)定保護(hù)時(shí)間（一般為5µs），C03的電壓達(dá)到擊穿穩(wěn)壓管Vs03的電壓，使RS觸發(fā)器CD4043的置1端為高電平，從而Q端輸出高電平，Vs02導(dǎo)通，集電極輸出低電平，利用由74LS09構(gòu)成的與門封鎖輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。CD4043的信號(hào)延遲時(shí)間最大為幾百個(gè)ns,而74LS09的信號(hào)延遲時(shí)間最大為幾十個(gè)ns。因此，保護(hù)電路在信號(hào)響應(yīng)上足夠快。圖2中，在RS觸發(fā)器的R端加了復(fù)位按鈕，發(fā)生故障時(shí)，RS觸發(fā)器將Q端輸出的高電平鎖住，當(dāng)排除故障后，可以按動(dòng)復(fù)位按鈕，接束對(duì)柵極控制信號(hào)的封鎖。

    Vs02的集電極輸出同時(shí)接微處理器，可及時(shí)顯示故障信息，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警。EXB841的軟關(guān)斷時(shí)間是由內(nèi)部元件R7和C4的時(shí)間常數(shù)決定的，為了提高軟開關(guān)的可靠性，在EXB841的4和5兩端外加可調(diào)電阻Rw2，可調(diào)節(jié)軟關(guān)斷時(shí)間，在4和9腳兩端外加電容 C01，可避免過高的di/dt產(chǎn)生的電壓尖峰，但應(yīng)合理選擇二者的值，太大的值將增大內(nèi)部三極管V3的集電極電流。

    5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

 圖3為實(shí)測典型驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)波形，圖4為實(shí)測優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路波形。通過兩圖的對(duì)比，不難看出，典型驅(qū)動(dòng)電路的反向關(guān)斷電壓不到-5V，正向驅(qū)動(dòng)電壓小于14.5V。而優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的反偏壓則基本達(dá)到或接近于-8V，正向驅(qū)動(dòng)電壓更是超過了+15V，正反向驅(qū)動(dòng)電壓值得到調(diào)整的同時(shí)，前后沿陡度也得到極大改善。

   原EXB841典型驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到大功率高壓高頻脈沖電源中，電源逆變部分由于負(fù)偏壓不足，容易引起橋臂直通，導(dǎo)致IGBT經(jīng)常炸毀。又因?yàn)楦哳l造成的強(qiáng)電磁干擾，致使IGBT電流較小時(shí)就產(chǎn)生虛假過流的故障保護(hù)，使得設(shè)備無法正常運(yùn)行。優(yōu)化電路應(yīng)用到電源后，以上故障均得以很大程度上的消除。能夠滿足設(shè)備正常工作的要求。

    6 結(jié)論

    本文在對(duì)IGBT器件的驅(qū)動(dòng)要求進(jìn)行深入分析之后，在研究了EXB841驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，指出了其存在的諸多不足。再結(jié)合這些問題設(shè)計(jì)了實(shí)用性較強(qiáng)的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有較強(qiáng)的過流識(shí)別能力，并能夠區(qū)分真假過流，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)。將優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于大功率高壓高頻脈沖電源中，證明了所設(shè)計(jì)的電路完全可以對(duì)IGBT進(jìn)行有效驅(qū)動(dòng)、控制和過流保護(hù)。