基于EXB841的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

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).日本FUJI公司的EXB841芯片是一種典型的適用于300A以下IGBT的專用驅(qū)動(dòng)電路，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，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，但在中高頻逆變電路的實(shí)際應(yīng)用中還存在一些不足，導(dǎo)致IGBT的誤導(dǎo)通或誤關(guān)斷，嚴(yán)重影響了設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性.因此，基于EXB841的驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了人們研究的重要內(nèi)容.大多數(shù)文獻(xiàn)提出了采用高壓降檢測二極管或穩(wěn)壓管與二極管反向串接等方法降低動(dòng)作閾值，但調(diào)整受到較大限制.

本文在詳細(xì)研究EXB841電路結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路.該電路應(yīng)用在大功率全橋逆變DBD型臭氧發(fā)生電源中，使用效果證明該優(yōu)化電路解決了典型電路存在的問題，如電源在極小電流時(shí)的虛假過流報(bào)警、逆變橋直通，進(jìn)一步提高了EXB841驅(qū)動(dòng)的可靠性.

1 驅(qū)動(dòng)芯片EXB841

圖1所示為EXB841的內(nèi)部電路和典型應(yīng)用電路圖，主要有3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)10～15V的正向觸發(fā)控制脈沖電壓施加于15和14腳時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生約16 v的IGBT開通電壓;當(dāng)觸發(fā)控制脈沖電壓撤消時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生約-5.1 V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V7檢測.當(dāng)IGBT開通時(shí)，若發(fā)生負(fù)載短路等產(chǎn)生大電流的故障，Uce上升很多，會(huì)使得二極管V7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開始由約6 V 上升，當(dāng)上升至13 V 時(shí)，Vs1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Uge下降，實(shí)現(xiàn)緩關(guān)斷，完成EXB841對IGBT的保護(hù).E點(diǎn)電位Ue為-5.1 V，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vs2決定.

圖1 EXB841內(nèi)部電路與典型應(yīng)用

作為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，EXB841有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著不足：

1)過流保護(hù)閾值太高：由EXB841實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的過程可知，EXB841判定過流的主要依據(jù)是6腳電壓.6腳電壓U6不僅和Uce有關(guān)，還和二極管V7的導(dǎo)通電壓Ud及Ue有關(guān)，V7在0.5～0.6 V時(shí)即可開通，故過流保護(hù)閾值Uceo=U6-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V.通常IGBT在通過額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降Uce為3.5V，當(dāng)Uce=Uceo =7.5 V時(shí)。IGBT已嚴(yán)重過流，對應(yīng)電流約為額定電流的2～3倍，因此，應(yīng)降低Uceo.

2)負(fù)偏壓不足：EXB841為了防止較高dv/dt引起IGBT誤動(dòng)作設(shè)置了負(fù)柵壓，實(shí)際負(fù)柵壓值一般不到-5 v.在大功率臭氧電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中，電磁干擾使負(fù)柵壓信號(hào)中存在隨工作電流增大而增大的干擾尖鋒脈沖，其值可超過6V，甚至達(dá)到8-9 V，能導(dǎo)致截止的IGBT誤導(dǎo)通，造成橋臂直通.因此，有必要適當(dāng)提高負(fù)偏壓.實(shí)際表明，在合理布局的基礎(chǔ)上，需采用8V左右的負(fù)偏壓.

3)存在虛假過流：一般大功率IGBT的導(dǎo)通時(shí)間ton在1us左右.實(shí)際上，IGBT導(dǎo)通時(shí)尾部電壓下降是較慢的，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工作電壓較高時(shí)，Uce下降至飽合導(dǎo)通壓降約需4～5 s，而過流檢測的延遲時(shí)間約為2.7 s.因此，在IGBT開通過程中，若過流保護(hù)動(dòng)作閾值太高，會(huì)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)延時(shí)5us，以便外部保護(hù)電路對真正的過流進(jìn)行保護(hù)，在EXB841完成內(nèi)部軟關(guān)斷后再封鎖外加PWM信號(hào).

4)過流保護(hù)無自鎖功能：在出現(xiàn)過流時(shí)，EXB841將正常的驅(qū)動(dòng)信號(hào)變成一系列降幅脈沖實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(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).因5腳輸出信號(hào)無鎖存功能，須在發(fā)生真正的過流時(shí)，用觸發(fā)器鎖定故障輸出信號(hào)，用外部電路實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)和停機(jī).

5)軟關(guān)斷不可靠：檢測到過流后，EXB841有較長的軟關(guān)斷時(shí)間，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作慢，保護(hù)效果變差.

2 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對上述EXB841典型應(yīng)用中存在的不足，在設(shè)計(jì)臭氧逆變電源中，研究與設(shè)計(jì)了圖2所示的基于EXB841的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路，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)別與故障信號(hào)鎖存電路.

圖2 EXB841的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路

2.1 外部負(fù)柵壓成型電路

IGBT柵射極的驅(qū)動(dòng)電壓大小需根據(jù)不同的應(yīng)用場合作出積極的調(diào)整.本設(shè)計(jì)中，將IGBT的射極E改為與外部負(fù)柵壓成型電路的輸出直接相連，用外接8V穩(wěn)壓管Vs02代替EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓管Vs2，限流電阻R012為4.7 kΩ，在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)了兩個(gè)電容值分別為10uF(C05)和0.33uF(C06)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)了反向串接的16 V(Vs04)與8 V(Vs05)穩(wěn)壓二極管.[!--empirenews.page--]

負(fù)偏壓和保護(hù)特性是互相影響的.在通過外接穩(wěn)壓管提高負(fù)偏壓時(shí)，正向驅(qū)動(dòng)電壓將下降.因?yàn)槭軆?nèi)置檢測穩(wěn)壓二極管Vs1穩(wěn)壓值的限制，負(fù)偏壓和保護(hù)閾值電壓之和不得高于13 V，否則將被視為過流狀態(tài)而不能正常工作.因此，在提高負(fù)偏壓的同時(shí)，為保證可靠穩(wěn)定的工作，采用24 V單獨(dú)直流電源供電以提高正向控制電壓.

為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯(lián)電阻Rg .Rg增大會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長，能耗增加，但在IGBT關(guān)斷時(shí)，可以延長關(guān)斷時(shí)問以便減小過電壓，防止較大的du/dt導(dǎo)致IGBT發(fā)生擎住效應(yīng);減小Rg又會(huì)加大電流的變化率，可能引起誤導(dǎo)通或損壞IGBT，故應(yīng)合理設(shè)計(jì)柵極串聯(lián)電阻Rg .優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路采用了不對稱的開啟和關(guān)斷方法.在IGBT開通時(shí)，EXB841的3腳提供+16 V電壓，電阻Rg1經(jīng)二極管V03和Rg2并聯(lián)使Rg值較小，有利于減小IGBT的開通時(shí)間和開通損耗，在IGBT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-8 V電壓，使二極管V03截止，Rg=Rg2具有較大值，并用30 kΩ的電阻Rge和30 pF電容并聯(lián)抑制干擾.

2.2 過流檢測電路

偏高的保護(hù)動(dòng)作閾值難起到有效的保護(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)提出過采用高壓降檢測二極管或采用串接3 V反向穩(wěn)壓管及二極管的方法.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3.5 V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12 V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)化電路用可調(diào)電阻RW3實(shí)現(xiàn)閾值電壓的調(diào)整，10V穩(wěn)壓管Vs03設(shè)置檢測閾值下限，可較精確地設(shè)置小于IGBT極限過載電流的實(shí)際過流值.

2.3 虛假過流故障識(shí)別與故障信號(hào)鎖存電路

當(dāng)EXB841的6腳檢測到過流發(fā)生時(shí)，EXB841進(jìn)入軟關(guān)斷過程，內(nèi)部電路(C3，R6)產(chǎn)生約3us的延時(shí)，若3us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V01截止，過流高速比較器LM319輸出高電平，電容C03通過R07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5us)，C03 的充電電壓達(dá)到擊穿穩(wěn)壓管VS01的電壓，使三極管Vs02飽和導(dǎo)通輸出低電平，觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器鎖定過流指示信號(hào)，由前級(jí)控制電路(如送至SG3525的10腳)封鎖PWM脈沖信號(hào)和實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)動(dòng)作.若是虛假過流，在VS02飽和導(dǎo)通前EXB841的5腳電平將恢復(fù)為高電平，不會(huì)觸發(fā)后接R-S觸發(fā)器，整個(gè)電路自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài).

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，為了提高軟關(guān)斷的可靠性，在EXB84l的4和5兩端外加電阻Rw1可縮短軟關(guān)斷時(shí)間，在4和9兩端外加電容C01可避免過高的di/dt產(chǎn)生電壓尖峰，但應(yīng)合理選擇Rw1與C01，太大的值將增大內(nèi)部三極管V3的集電極電流.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為典型驅(qū)動(dòng)電路軟關(guān)斷波形(a)和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路軟關(guān)斷波形(b)示意圖，從圖中可以看到，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路可較快地施加負(fù)偏壓，進(jìn)一步提高了EXB841驅(qū)動(dòng)的可靠性.

圖3 軟關(guān)斷波形對比

圖4為典型驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)測波形，圖5為優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)測波形.從圖4可知典型驅(qū)動(dòng)電路的反向關(guān)斷電壓不到-5 V，正向驅(qū)動(dòng)電壓約為14 V，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的反向關(guān)斷電壓超過-7.8 v，正向驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到15.2 V，正反向偏置電壓同時(shí)得到了調(diào)整.實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)Rge兩端未并接電容時(shí)，正向驅(qū)動(dòng)電壓上升沿很陡，但由正向驅(qū)動(dòng)電壓切換到反向關(guān)斷電壓時(shí)，先有一很陡的快速下降過程，接近0 V時(shí)，經(jīng)過緩慢的過渡過程才達(dá)到穩(wěn)態(tài)反向關(guān)斷電壓，這是由于反向充電時(shí)間常數(shù)過大引起的.

圖4 原典型驅(qū)動(dòng)電路試驗(yàn)波形

圖5 驅(qū)動(dòng)優(yōu)化電路試驗(yàn)波形

原EXB841典型驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到大功率臭氧電源時(shí)，電源系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障，表現(xiàn)為：由于負(fù)偏壓不足，導(dǎo)致內(nèi)部穩(wěn)壓管損壞，容易引起IGBT發(fā)生直通現(xiàn)象，導(dǎo)致IGBT經(jīng)常炸毀.因強(qiáng)電磁干擾的存在，致使EXB841在電流較小時(shí)就產(chǎn)生虛假過流的故障報(bào)警，使得設(shè)備無法正常運(yùn)行.優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到電源后，以上幾種故障均得以消除，設(shè)備在滿負(fù)荷下能長時(shí)間可靠運(yùn)行.

4 結(jié)論

基于EXB841的IGBT優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路具有較好的實(shí)用性，它既提高了EXB841的驅(qū)動(dòng)能力，又對虛假過流信號(hào)具有很強(qiáng)的識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)了對真正過流的保護(hù).將優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于大功率臭氧發(fā)生電源后，徹底消除了使用典型驅(qū)動(dòng)電路所出現(xiàn)的虛假過流保護(hù)現(xiàn)象，電源系統(tǒng)性能更穩(wěn)定可靠.