基於EXB841的IGBT 驅動電路優化設計

    IGBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件，既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關特性，又具有雙極晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點，作為高功率大電流的電能變換功率開關器件得到了廣泛的應用.IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力及du/dt等參數，並決定了IGBT的靜態與動態特性.因此，設計高性能的驅動與保護電路是安全使用IGBT的關鍵技術.日本FUJI公司的EXB841晶元是一種典型的適用於300A以下IGBT的專用驅動電路，具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，在國內外得到了廣泛應用，但在中高頻逆變電路的實際應用中還存在一些不足，導致IGBT的誤導通或誤關斷，嚴重影響了設備的穩定性與可靠性.因此，基於EXB841的驅動電路優化設計成為了人們研究的重要內容.大多數文獻提出了採用高壓降檢測二極體或穩壓管與二極體反向串接等方法降低動作閾值，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，設計了一種優化驅動電路.該電路應用在大功率全橋逆變DBD型臭氧發生電源中，使用效果證明該優化電路解決了典型電路存在的問題，如電源在極小電流時的虛假過流報警、逆變橋直通，進一步提高了EXB841驅動的可靠性.

1 驅動晶元EXB841
     圖1所示為EXB841的內部電路和典型應用電路圖，主要有3個工作過程：正常開通過程、正常關斷過程和過流保護動作過程.14和15兩腳間外加PWM控制信號，當10～15V的正向觸發控制脈衝電壓施加於15和14腳時，在GE兩端產生約16 v的IGBT開通電壓；當觸發控制脈衝電壓撤消時，在GE兩端產生約-5.1 V的IGBT關斷電壓.過流保護動作過程是根據IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過流而進行保護的，Uce由二極體V7檢測.當IGBT開通時，若發生負載短路等產生大電流的故障，Uce上升很多，會使得二極體V7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點和C點電位開始由約6 V 上升，當上升至13 V 時，Vs1被擊穿，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，V6導通，從而使IGBT的GE間電壓Uge下降，實現緩關斷，完成EXB841對IGBT的保護.E點電位Ue為-5.1 V，由EXB841內部的穩壓二極體Vs2決定.
 
圖1 EXB841內部電路與典型應用
    作為IGBT的驅動晶元，EXB841有著很多的優點，但也存在著不足：
1)過流保護閾值太高：由EXB841實現過流保護的過程可知，EXB841判定過流的主要依據是6腳電壓.6腳電壓U6不僅和Uce有關，還和二極體V7的導通電壓Ud及Ue有關，V7在0.5～0.6 V時即可開通，故過流保護閾值Uceo=U6-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V.通常IGBT在通過額定電流時導通壓降Uce為3.5V，當Uce=Uceo =7.5 V時。IGBT已嚴重過流，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誤動作設置了負柵壓，實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衝，其值可超過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.實際表明，在合理布局的基礎上，需採用8V左右的負偏壓.
3)存在虛假過流：一般大功率IGBT的導通時間ton在1us左右.實際上，IGBT導通時尾部電壓下降是較慢的，實驗表明，當工作電壓較高時，Uce下降至飽合導通壓降約需4～5 s，而過流檢測的延遲時間約為2.7 s.因此，在IGBT開通過程中，若過流保護動作閾值太高，會出現虛假過流.為了識別真假過流，5腳的過流故障輸出信號應延時5us，以便外部保護電路對真正的過流進行保護，在EXB841完成內部軟關斷後再封鎖外加PWM信號.
4)過流保護無自鎖功能：在出現過流時，EXB841將正常的驅動信號變成一系列降幅脈衝實現IGBT的軟關斷，並在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腳輸出信號無鎖存功能，須在發生真正的過流時，用觸發器鎖定故障輸出信號，用外部電路實現對系統的保護和停機.
5)軟關斷不可靠：檢測到過流后，EXB841有較長的軟關斷時間，導致保護動作慢，保護效果變差.

2 驅動電路優化設計
    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所示的基於EXB841的優化驅動電路，包括外部負柵壓成型電路、過流檢測電路、虛假過流故障識別與故障信號鎖存電路.
 
圖2 EXB841的優化驅動電路
2.1 外部負柵壓成型電路
    IGBT柵射極的驅動電壓大小需根據不同的應用場合作出積極的調整.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，在穩壓管兩端並聯了兩個電容值分別為10uF(C05)和0.33uF(C06)的去耦濾波電容.為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，在柵射極間並聯了反向串接的16 V(Vs04)與8 V(Vs05)穩壓二極體.
    負偏壓和保護特性是互相影響的.在通過外接穩壓管提高負偏壓時，正向驅動電壓將下降.因為受內置檢測穩壓二極體Vs1穩壓值的限制，負偏壓和保護閾值電壓之和不得高於13 V，否則將被視為過流狀態而不能正常工作.因此，在提高負偏壓的同時，為保證可靠穩定的工作，採用24 V單獨直流電源供電以提高正向控制電壓.
    為了改善控制脈衝的前後沿陡度和防止震蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈衝，需在柵極串聯電阻Rg .Rg增大會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加，但在IGBT關斷時，可以延長關斷時問以便減小過電壓，防止較大的du/dt導致IGBT發生擎住效應；減小Rg又會加大電流的變化率，可能引起誤導通或損壞IGBT，故應合理設計柵極串聯電阻Rg .優化驅動電路採用了不對稱的開啟和關斷方法.在IGBT開通時，EXB841的3腳提供+16 V電壓，電阻Rg1經二極體V03和Rg2並聯使Rg值較小，有利於減小IGBT的開通時間和開通損耗，在IGBT關斷時，EXB841內部的V5導通，3腳電平為0，優化驅動電路在IGBT的E極提供-8 V電壓，使二極體V03截止，Rg=Rg2具有較大值，並用30 kΩ的電阻Rge和30 pF電容並聯抑制干擾.

2.2 過流檢測電路
    偏高的保護動作閾值難起到有效的保護作用，必須合適設置此閾值.但由於器件壓降的分散性和溫度影響，又不宜設置過低.為了適當降低動作閾值，已經提出過採用高壓降檢測二極體或採用串接3 V反向穩壓管及二極體的方法.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，IGBT約有3.5 V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12 V左右，隨著IGBT 的工作電流增大，強電磁干擾會造成EXB841誤報警，出現虛假過流.本優化電路用可調電阻RW3實現閾值電壓的調整，10V穩壓管Vs03設置檢測閾值下限，可較精確地設置小於IGBT極限過載電流的實際過流值.

2.3 虛假過流故障識別與故障信號鎖存電路
    當EXB841的6腳檢測到過流發生時，EXB841進入軟關斷過程，內部電路(C3，R6)產生約3us的延時，若3us後過流依然存在，5腳輸出低電平作為過流故障指示信號，高速光耦6N136導通，三極體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輸出持續高電平時間大於設定保護時間(一般5us)，C03 的充電電壓達到擊穿穩壓管VS01的電壓，使三極體Vs02飽和導通輸出低電平，觸發後接R-S觸發器鎖定過流指示信號，由前級控制電路(如送至SG3525的10腳)封鎖PWM脈衝信號和實現故障保護動作.若是虛假過流，在VS02飽和導通前EXB841的5腳電平將恢復為高電平，不會觸發後接R-S觸發器，整個電路自動恢復到正常工作狀態.
    EXB841的軟關斷時間是由內部元件R7和C4的時間常數決定的，為了提高軟關斷的可靠性，在EXB84l的4和5兩端外加電阻Rw1可縮短軟關斷時間，在4和9兩端外加電容C01可避免過高的di/dt產生電壓尖峰，但應合理選擇Rw1與C01，太大的值將增大內部三極體V3的集電極電流.

3 試驗結果分析
    圖3為典型驅動電路軟關斷波形(a)和優化驅動電路軟關斷波形(b)示意圖，從圖中可以看到，優化驅動電路可較快地施加負偏壓，進一步提高了EXB841驅動的可靠性.
 
圖3 軟關斷波形對比
    圖4為典型驅動電路的實測波形，圖5為優化驅動電路的實測波形.從圖4可知典型驅動電路的反向關斷電壓不到-5 V，正向驅動電壓約為14 V，優化驅動電路的反向關斷電壓超過-7.8 v，正向驅動電壓達到15.2 V，正反向偏置電壓同時得到了調整.實驗中還發現Rge兩端未並接電容時，正向驅動電壓上升沿很陡，但由正向驅動電壓切換到反向關斷電壓時，先有一很陡的快速下降過程，接近0 V時，經過緩慢的過渡過程才達到穩態反向關斷電壓，這是由於反向充電時間常數過大引起的.
 
圖4 原典型驅動電路試驗波形
 
圖5 驅動優化電路試驗波形
    原EXB841典型驅動電路應用到大功率臭氧電源時，電源系統極易出現故障，表現為：由於負偏壓不足，導致內部穩壓管損壞，容易引起IGBT發生直通現象，導致IGBT經常炸毀.因強電磁干擾的存在，致使EXB841在電流較小時就產生虛假過流的故障報警，使得設備無法正常運行.優化驅動電路應用到電源后，以上幾種故障均得以消除，設備在滿負荷下能長時間可靠運行.

4 結論
    基於EXB841的IGBT優化驅動電路具有較好的實用性，它既提高了EXB841的驅動能力，又對虛假過流信號具有很強的識別功能，實現了對真正過流的保護.將優化驅動電路應用於大功率臭氧發生電源后，徹底消除了使用典型驅動電路所出現的虛假過流保護現象，電源系統性能更穩定可靠.