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(cè)、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(cè)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(cè).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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)系統(tǒng)的保護(hù)和停機(jī).

5)軟關(guān)斷不可靠：檢測(cè)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(duì)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(cè)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(chǎng)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.