基於EXB841的IGBT 驅動電路優化設計

2020-12-04 電子產品世界

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/387822.htm

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晶片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的驅動晶片，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幹擾的全橋逆變應用中，電磁幹擾使負柵壓信號中存在隨工作電流增大而增大的幹擾尖鋒脈衝，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：檢測到過流後，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.

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