IGBT模块 EXB841

  IGBT是一种由双*晶体管与MOSFET组合的器件，既具有MOSFET的栅*电压控制快速开关特性，又具有双*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*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*的驱动与保护电路是*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*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*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*管或稳压管与二*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*小电流时的虚假过流报警、逆变桥直通，进一步*了EXB841驱动的*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*间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二*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*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，*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*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*和Uce有关，还和二*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*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*而*的干扰尖锋脉冲，其值可*过6V，甚至*8-9 V，能导致截止的IGBT误导通，造成桥臂直通.因此，有*要适当*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，*，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*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*：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*的驱动电压大小需根据不同的应用场合作出积*的调整.本设计中，将IGBT的射*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*栅*驱动电路出现高压*，在栅射*间并联了反向串接的16 V(Vs04)与8 V(Vs05)稳压二*管.
    负偏压和保护特性是互相影响的.在通过外接稳压管*负偏压时，正向驱动电压将下降.因为受内置检测稳压二*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*负偏压的同时，为**稳定的工作，采用24 V单独直流电源供电以*正向控制电压.
    为了*控制脉冲的前后沿陡度和*震荡，减少IGBT集电*大的电压尖脉冲，需在栅*串联电阻Rg .Rg*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，*较大的du/dt导致IGBT发生擎住效应；减小Rg又会*电流的变化率，可能引起误导通或损坏IGBT，故应合理设计栅*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*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*提供-8 V电压，使二*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*的保护作用，*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*管或采用串接3 V反向稳压管及二*管的方法.该方法不能在*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*使6脚在正常情况下检测到的电平将*12 V左右，随着IGBT 的工作电流*，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*地设置小于IGBT*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*，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，*光耦6N136导通，三*管V01截止，过流*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*击穿稳压管VS01的电压，使三*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*的时间常数决定的，为了*软关断的*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*，但应合理选择Rw1与C01，太大的值将*内部三*管V3的集电*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*了EXB841驱动的*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*过-7.8 v，正向驱动电压*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*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*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*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*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*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，*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*.