基于EXB841的IGBT驅動(dòng)和保護電路研究

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(kāi)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(lái)在各種電能變換裝置中得到了廣泛應用。但是，IGBT的門(mén)極驅動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間、快開(kāi)關(guān)損耗、承受短路電流能力及du/dt等參數，并決定了IGBT靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。因此設計高性能的驅動(dòng)與保護電路是安全使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)[1,2]。

2 IGBT對驅動(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。Rg過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高；Rg過(guò)大，器件的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)關(guān)損耗增大；
（3）柵射電壓要適當。增大柵射正偏壓對減小開(kāi)通損耗和導通損耗有利，但也會(huì )使管子承受短路電流的時(shí)間變短，續流二極管反向恢復過(guò)電壓增大。因此，正偏壓要適當，通常為+15V。為了保證在C-E間出現dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負偏壓，以防止受到干擾時(shí)誤開(kāi)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IGBT處于負載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現IGBT的軟關(guān)斷。驅動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應隨輸入信號的消失而受到影響。

當然驅動(dòng)電路還要注意像防止門(mén)極過(guò)壓等其他一些問(wèn)題。日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負偏壓、過(guò)流檢測、保護、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅動(dòng)電路。其功能比較完善，在國內外得到了廣泛[2,3,4]。

3 驅動(dòng)芯片EXB841的控制原理

圖 1 EXB841的工作原理

圖1為EXB841的驅動(dòng)原理[4,5]。其主要有三個(gè)工作過(guò)程：正常開(kāi)通過(guò)程、正常關(guān)斷過(guò)程和過(guò)流保護動(dòng)作過(guò)程。14和15兩腳間外加PWM控制信號，當觸發(fā)脈沖信號施加于14和15引腳時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開(kāi)通電壓；當觸發(fā)控制脈沖撤銷(xiāo)時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過(guò)流保護動(dòng)作過(guò)程是根據IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過(guò)流而進(jìn)行保護的，Uce由二極管Vd7檢測。當IGBT開(kāi)通時(shí)，若發(fā)生負載短路等發(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(kāi)始由約6V上升，當上升至13V時(shí)，Vz1被擊穿，V3導通，C4通過(guò)R7和V3放電，E點(diǎn)的電壓逐漸下降，V6導通，從而使IGBT的GE間電壓Uce下降，實(shí)現軟關(guān)斷，完成EXB841對IGBT的保護。射極電位為-5.1V，由EXB841內部的穩壓二極管Vz2決定。

作為IGBT的專(zhuān)用驅動(dòng)芯片，EXB841有著(zhù)很多優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足一般用戶(hù)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用中，其不足之處也顯而易見(jiàn)。

（1）過(guò)流保護閾值過(guò)高。通常IGBT在通過(guò)額定電流時(shí)導通壓降Uce約為3.5V，而EXB841的過(guò)流識別值為7.5V左右，對應電流為額定電流的2～3倍，此時(shí)IGBT已嚴重過(guò)流。

（2）存在虛假過(guò)流。一般大功率IGBT的導通時(shí)間約為1µs左右。實(shí)際上，IGBT導通時(shí)尾部電壓下降是較慢的。實(shí)踐表明，當工作電壓較高時(shí)，Uce下降至飽和導通時(shí)間約為4～5µs，而過(guò)流檢測的延遲時(shí)間約為2.7µs.因此，在IGBT開(kāi)通過(guò)程中易出現虛假過(guò)流。為了識別真假過(guò)流，5腳的過(guò)流故障輸出信號應延遲5µs，以便保護電路對真正的過(guò)流進(jìn)行保護。

（3）負偏壓不足。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(kāi)關(guān)管通斷會(huì )產(chǎn)生干擾，使截止的IGBT誤導通。

（4）過(guò)流保護無(wú)自鎖功能。在過(guò)流保護時(shí)，EXB841對IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷，并在5腳輸出故障指示信號，但不能封鎖輸入的PWM控制信號。

（5）無(wú)報警電路。在系統應用中，IGBT發(fā)生故障時(shí)，不能顯示故障信息，不便于操作。
針對以上不足，可以考慮采取一些有效的措施來(lái)解決這些問(wèn)題。以下結合實(shí)際設計應用的具體電路加以說(shuō)明。

4 驅動(dòng)電路優(yōu)化設計

本文基于EXB841設計IGBT的驅動(dòng)電路如圖2所示，包括外部負柵壓成型電路、過(guò)流檢測電路、虛假過(guò)流故障識別與驅動(dòng)信號鎖存電路，故障信息報警電路[5,6,7]。

⑴ 外部負柵壓成型電路

針對負偏壓不足的問(wèn)題，設計了外部負柵壓成型電路。

如圖2所示，用外接8V穩壓管Vw1代替驅動(dòng)芯片內部的穩壓管Vz2，在穩壓管兩端并聯(lián)了兩個(gè)電容值分別為105µf和0.33µf的去耦濾波電容。為防止柵極驅動(dòng)電路出現高壓尖峰，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，Rg過(guò)小，關(guān)斷時(shí)間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高；Rg過(guò)大，器件的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)關(guān)損耗增大。優(yōu)化電路采用了不對稱(chēng)的開(kāi)啟和關(guān)斷方法。在IGBT開(kāi)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內部的V5導通，3腳電平為0，優(yōu)化驅動(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，防止器件誤導通。

⑵ 過(guò)流檢測電路

偏高的保護動(dòng)作閾值難起到有效地保護作用，必須合適設置此閾值。但由于器件壓降的分散性和溫度影響，又不宜設置過(guò)低。為了適當降低動(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反向穩壓二極管的方法。該方法不能在提高了負偏壓的情況下使用，因為正常導通時(shí)，IGBT約有3.5V左右的壓降，負偏壓的提高使6腳在正常情況下檢測到的電平將達到12V左右，隨著(zhù)IGBT的工作電流增大，強電磁干擾會(huì )造成EXB841誤報警，出現虛假過(guò)流。本優(yōu)化電路采用可調的電流傳感器。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，反應時(shí)間小于1µs，輸出電壓Uout同輸入電流有很好的線(xiàn)性關(guān)系。該電路通過(guò)調節滑動(dòng)電阻Rw1設定基準電流幅值而完成保護，當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。