基于EXB841的IGBT 驅動(dòng)電路優(yōu)化設計

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).日本FUJI公司的EXB841芯片是一種典型的適用于300A以下IGBT的專(zhuān)用驅動(dòng)電路，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，在國內外得到了廣泛應用，但在中高頻逆變電路的實(shí)際應用中還存在一些不足，導致IGBT的誤導通或誤關(guān)斷，嚴重影響了設備的穩定性與可靠性.因此，基于EXB841的驅動(dòng)電路優(yōu)化設計成為了人們研究的重要內容.大多數文獻提出了采用高壓降檢測二極管或穩壓管與二極管反向串接等方法降低動(dòng)作閾值，但調整受到較大限制.

本文在詳細研究EXB841電路結構與工作原理的基礎上，設計了一種優(yōu)化驅動(dòng)電路.該電路應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(wèn)題，如電源在極小電流時(shí)的虛假過(guò)流報警、逆變橋直通，進(jìn)一步提高了EXB841驅動(dòng)的可靠性.

1 驅動(dòng)芯片EXB841

圖1所示為EXB841的內部電路和典型應用電路圖，主要有3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(kāi)通電壓;當觸發(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(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V7檢測.當IGBT開(kāi)通時(shí)，若發(fā)生負載短路等產(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(kāi)始由約6 V 上升，當上升至13 V 時(shí)，Vs1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Uge下降，實(shí)現緩關(guān)斷，完成EXB841對IGBT的保護.E點(diǎn)電位Ue為-5.1 V，由EXB841內部的穩壓二極管Vs2決定.

圖1 EXB841內部電路與典型應用

作為IGBT的驅動(dòng)芯片，EXB841有著(zhù)很多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著(zhù)不足：

1)過(guò)流保護閾值太高：由EXB841實(shí)現過(guò)流保護的過(guò)程可知，EXB841判定過(guò)流的主要依據是6腳電壓.6腳電壓U6不僅和Uce有關(guān)，還和二極管V7的導通電壓Ud及Ue有關(guān)，V7在0.5～0.6 V時(shí)即可開(kāi)通，故過(guò)流保護閾值Uceo=U6-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V.通常IGBT在通過(guò)額定電流時(shí)導通壓降Uce為3.5V，當Uce=Uceo =7.5 V時(shí)。IGBT已嚴重過(guò)流，對應電流約為額定電流的2～3倍，因此，應降低Uceo.

2)負偏壓不足：EXB841為了防止較高dv/dt引起IGBT誤動(dòng)作設置了負柵壓，實(shí)際負柵壓值一般不到-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用中，電磁干擾使負柵壓信號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(guò)6V，甚至達到8-9 V，能導致截止的IGBT誤導通，造成橋臂直通.因此，有必要適當提高負偏壓.實(shí)際表明，在合理布局的基礎上，需采用8V左右的負偏壓.

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

4)過(guò)流保護無(wú)自鎖功能：在出現過(guò)流時(shí)，EXB841將正常的驅動(dòng)信號變成一系列降幅脈沖實(shí)現IGBT的軟關(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.因5腳輸出信號無(wú)鎖存功能，須在發(fā)生真正的過(guò)流時(shí)，用觸發(fā)器鎖定故障輸出信號，用外部電路實(shí)現對系統的保護和停機.

5)軟關(guān)斷不可靠：檢測到過(guò)流后，EXB841有較長(cháng)的軟關(guān)斷時(shí)間，導致保護動(dòng)作慢，保護效果變差.

2 驅動(dòng)電路優(yōu)化設計

針對上述EXB841典型應用中存在的不足，在設計臭氧逆變電源中，研究與設計了圖2所示的基于EXB841的優(yōu)化驅動(dòng)電路，包括外部負柵壓成型電路、過(guò)流檢測電路、虛假過(guò)流故障識別與故障信號鎖存電路.

圖2 EXB841的優(yōu)化驅動(dòng)電路

2.1 外部負柵壓成型電路

IGBT柵射極的驅動(dòng)電壓大小需根據不同的應用場(chǎng)合作出積極的調整.本設計中，將IGBT的射極E改為與外部負柵壓成型電路的輸出直接相連，用外接8V穩壓管Vs02代替EXB841內部的穩壓管Vs2，限流電阻R012為4.7 kΩ，在穩壓管兩端并聯(lián)了兩個(gè)電容值分別為10uF(C05)和0.33uF(C06)的去耦濾波電容.為防止柵極驅動(dòng)電路出現高壓尖峰，在柵射極間并聯(lián)了反向串接的16 V(Vs04)與8 V(Vs05)穩壓二極管.