EXB841

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 IGBT是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件，既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，作为高功率大电流的电能变换功率开关器件得到了广泛的应用.IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及du/dt等参数，并决定了IGBT的静态与动态特性.因此，设计高性能的驱动与保护电路是安全使用IGBT的关键技术.日本FUJI公司的EXB841芯片是一种典型的适用于300A以下IGBT的专用驱动电路，具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，在国内外得到了广泛应用，但在中高频逆变电路的实际应用中还存在一些不足，导致IGBT的误导通或误关断，严重影响了设备的稳定性与可靠性.因此，基于EXB841的驱动电路优化设计成为了人们研究的重要内容.大多数文献提出了采用高压降检测二极管或稳压管与二极管反向串接等方法降低动作阈值，但调整受到较大限制.
    本文在详细研究EXB841电路结构与工作原理的基础上，设计了一种优化驱动电路.该电路应用在大功率全桥逆变DBD型臭氧发生电源中，使用效果证明该优化电路解决了典型电路存在的问题，如电源在极小电流时的虚假过流报警、逆变桥直通，进一步提高了EXB841驱动的可靠性.

1 驱动芯片EXB841
     图1所示为EXB841的内部电路和典型应用电路图，主要有3个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程.14和15两脚间外加PWM控制信号，当10～15V的正向触发控制脉冲电压施加于15和14脚时，在GE两端产生约16 v的IGBT开通电压；当触发控制脉冲电压撤消时，在GE两端产生约-5.1 V的IGBT关断电压.过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管V7检测.当IGBT开通时，若发生负载短路等产生大电流的故障，Uce上升很多，会使得二极管V7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位开始由约6 V 上升，当上升至13 V 时，Vs1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，V6导通，从而使IGBT的GE间电压Uge下降，实现缓关断，完成EXB841对IGBT的保护.E点电位Ue为-5.1 V，由EXB841内部的稳压二极管Vs2决定.
 
图1 EXB841内部电路与典型应用
    作为IGBT的驱动芯片，EXB841有着很多的优点，但也存在着不足：
1)过流保护阈值太高：由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过流的主要依据是6脚电压.6脚电压U6不仅和Uce有关，还和二极管V7的导通电压Ud及Ue有关，V7在0.5～0.6 V时即可开通，故过流保护阈值Uceo=U6-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V.通常IGBT在通过额定电流时导通压降Uce为3.5V，当Uce=Uceo =7.5 V时。IGBT已严重过流，对应电流约为额定电流的2～3倍，因此，应降低Uceo.
2)负偏压不足：EXB841为了防止较高dv/dt引起IGBT误动作设置了负栅压，实际负栅压值一般不到-5 v.在大功率臭氧电源等具有较大电磁干扰的全桥逆变应用中，电磁干扰使负栅压信号中存在随工作电流增大而增大的干扰尖锋脉冲，其值可超过6V，甚至达到8-9 V，能导致截止的IGBT误导通，造成桥臂直通.因此，有必要适当提高负偏压.实际表明，在合理布局的基础上，需采用8V左右的负偏压.
3)存在虚假过流：一般大功率IGBT的导通时间ton在1us左右.实际上，IGBT导通时尾部电压下降是较慢的，实验表明，当工作电压较高时，Uce下降至饱合导通压降约需4～5 s，而过流检测的延迟时间约为2.7 s.因此，在IGBT开通过程中，若过流保护动作阈值太高，会出现虚假过流.为了识别真假过流，5脚的过流故障输出信号应延时5us，以便外部保护电路对真正的过流进行保护，在EXB841完成内部软关断后再封锁外加PWM信号.
4)过流保护无自锁功能：在出现过流时，EXB841将正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲实现IGBT的软关断，并在5脚输出故障指示信号，但不能封锁输入的PWM控制信号.因5脚输出信号无锁存功能，须在发生真正的过流时，用触发器锁定故障输出信号，用外部电路实现对系统的保护和停机.
5)软关断不可靠：检测到过流后，EXB841有较长的软关断时间，导致保护动作慢，保护效果变差.

2 驱动电路优化设计
    针对上述EXB841典型应用中存在的不足，在设计臭氧逆变电源中，研究与设计了图2所示的基于EXB841的优化驱动电路，包括外部负栅压成型电路、过流检测电路、虚假过流故障识别与故障信号锁存电路.
 
图2 EXB841的优化驱动电路
2.1 外部负栅压成型电路
    IGBT栅射极的驱动电压大小需根据不同的应用场合作出积极的调整.本设计中，将IGBT的射极E改为与外部负栅压成型电路的输出直接相连，用外接8V稳压管Vs02代替EXB841内部的稳压管Vs2，限流电阻R012为4.7 kΩ，在稳压管两端并联了两个电容值分别为10uF(C05)和0.33uF(C06)的去耦滤波电容.为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅射极间并联了反向串接的16 V(Vs04)与8 V(Vs05)稳压二极管.
    负偏压和保护特性是互相影响的.在通过外接稳压管提高负偏压时，正向驱动电压将下降.因为受内置检测稳压二极管Vs1稳压值的限制，负偏压和保护阈值电压之和不得高于13 V，否则将被视为过流状态而不能正常工作.因此，在提高负偏压的同时，为保证可靠稳定的工作，采用24 V单独直流电源供电以提高正向控制电压.
    为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg .Rg增大会使IGBT的通断时间延长，能耗增加，但在IGBT关断时，可以延长关断时问以便减小过电压，防止较大的du/dt导致IGBT发生擎住效应；减小Rg又会加大电流的变化率，可能引起误导通或损坏IGBT，故应合理设计栅极串联电阻Rg .优化驱动电路采用了不对称的开启和关断方法.在IGBT开通时，EXB841的3脚提供+16 V电压，电阻Rg1经二极管V03和Rg2并联使Rg值较小，有利于减小IGBT的开通时间和开通损耗，在IGBT关断时，EXB841内部的V5导通，3脚电平为0，优化驱动电路在IGBT的E极提供-8 V电压，使二极管V03截止，Rg=Rg2具有较大值，并用30 kΩ的电阻Rge和30 pF电容并联抑制干扰.

2.2 过流检测电路
    偏高的保护动作阈值难起到有效的保护作用，必须合适设置此阈值.但由于器件压降的分散性和温度影响，又不宜设置过低.为了适当降低动作阈值，已经提出过采用高压降检测二极管或采用串接3 V反向稳压管及二极管的方法.该方法不能在提高了负偏压的情况下使用，因为正常导通时，IGBT约有3.5 V左右的压降，负偏压的提高使6脚在正常情况下检测到的电平将达到12 V左右，随着IGBT 的工作电流增大，强电磁干扰会造成EXB841误报警，出现虚假过流.本优化电路用可调电阻RW3实现阈值电压的调整，10V稳压管Vs03设置检测阈值下限，可较精确地设置小于IGBT极限过载电流的实际过流值.

2.3 虚假过流故障识别与故障信号锁存电路
    当EXB841的6脚检测到过流发生时，EXB841进入软关断过程，内部电路(C3，R6)产生约3us的延时，若3us后过流依然存在，5脚输出低电平作为过流故障指示信号，高速光耦6N136导通，三极管V01截止，过流高速比较器LM319输出高电平，电容C03通过R07充电，若LM319输出持续高电平时间大于设定保护时间(一般5us)，C03 的充电电压达到击穿稳压管VS01的电压，使三极管Vs02饱和导通输出低电平，触发后接R-S触发器锁定过流指示信号，由前级控制电路(如送至SG3525的10脚)封锁PWM脉冲信号和实现故障保护动作.若是虚假过流，在VS02饱和导通前EXB841的5脚电平将恢复为高电平，不会触发后接R-S触发器，整个电路自动恢复到正常工作状态.
    EXB841的软关断时间是由内部元件R7和C4的时间常数决定的，为了提高软关断的可靠性，在EXB84l的4和5两端外加电阻Rw1可缩短软关断时间，在4和9两端外加电容C01可避免过高的di/dt产生电压尖峰，但应合理选择Rw1与C01，太大的值将增大内部三极管V3的集电极电流.

3 试验结果分析
    图3为典型驱动电路软关断波形(a)和优化驱动电路软关断波形(b)示意图，从图中可以看到，优化驱动电路可较快地施加负偏压，进一步提高了EXB841驱动的可靠性.
 
图3 软关断波形对比
    图4为典型驱动电路的实测波形，图5为优化驱动电路的实测波形.从图4可知典型驱动电路的反向关断电压不到-5 V，正向驱动电压约为14 V，优化驱动电路的反向关断电压超过-7.8 v，正向驱动电压达到15.2 V，正反向偏置电压同时得到了调整.实验中还发现Rge两端未并接电容时，正向驱动电压上升沿很陡，但由正向驱动电压切换到反向关断电压时，先有一很陡的快速下降过程，接近0 V时，经过缓慢的过渡过程才达到稳态反向关断电压，这是由于反向充电时间常数过大引起的.
 
图4 原典型驱动电路试验波形
 
图5 驱动优化电路试验波形
    原EXB841典型驱动电路应用到大功率臭氧电源时，电源系统极易出现故障，表现为：由于负偏压不足，导致内部稳压管损坏，容易引起IGBT发生直通现象，导致IGBT经常炸毁.因强电磁干扰的存在，致使EXB841在电流较小时就产生虚假过流的故障报警，使得设备无法正常运行.优化驱动电路应用到电源后，以上几种故障均得以消除，设备在满负荷下能长时间可靠运行.

4 结论
    基于EXB841的IGBT优化驱动电路具有较好的实用性，它既提高了EXB841的驱动能力，又对虚假过流信号具有很强的识别功能，实现了对真正过流的保护.将优化驱动电路应用于大功率臭氧发生电源后，彻底消除了使用典型驱动电路所出现的虚假过流保护现象，电源系统性能更稳定可靠.