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基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2012-02-21

中心議題:

  • IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求
  • 驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的控制原理
  • 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

解決方案:

  • 基于EXB841的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案
  • 采用串聯(lián)3.3V反向穩(wěn)壓二極管的方法


1 引  言

多絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種由雙極型晶體管與MOSFET組合的器件,它既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開(kāi)關(guān)特性,又具有雙極型晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點(diǎn),近年來(lái)在各種電能變換裝置中得到了廣泛應(yīng)用。但是,IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間、快開(kāi)關(guān)損耗、承受短路電流能力及du/dt等參數(shù),并決定了IGBT靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。因此設(shè)計(jì)高性能的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路是安全使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)。

2 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

(1)觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度,即脈沖前后沿要陡峭;
   
(2)柵極串連電阻Rg要恰當(dāng)。Rg過(guò)小,關(guān)斷時(shí)間過(guò)短,關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高;Rg過(guò)大,器件的開(kāi)關(guān)速度降低,開(kāi)關(guān)損耗增大; 
   
(3)柵射電壓要適當(dāng)。增大柵射正偏壓對(duì)減小開(kāi)通損耗和導(dǎo)通損耗有利,但也會(huì)使管子承受短路電流的時(shí)間變短,續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)電壓增大。因此,正偏壓要適當(dāng),通常為+15V。為了保證在C-E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷,關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓,以防止受到干擾時(shí)誤開(kāi)通和加快關(guān)斷速度,減小關(guān)斷損耗,幅值一般為-(5~10)V; 
   
(4)當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí),能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流,實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。

當(dāng)然驅(qū)動(dòng)電路還要注意像防止門(mén)極過(guò)壓等其他一些問(wèn)題。日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過(guò)流檢測(cè)、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性,是一種比較典型的驅(qū)動(dòng)電路。其功能比較完善,在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛。

3 驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的控制原理
 


圖 1 EXB841的工作原理


圖1為EXB841的驅(qū)動(dòng)原理[4,5]。其主要有三個(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(hù)動(dòng)作過(guò)程。14和15兩腳間外加PWM控制信號(hào),當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)施加于14和15引腳時(shí),在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開(kāi)通電壓;當(dāng)觸發(fā)控制脈沖撤銷時(shí),在GE兩端產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過(guò)流保護(hù)動(dòng)作過(guò)程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過(guò)流而進(jìn)行保護(hù)的,Uce由二極管Vd7檢測(cè)。當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí),若發(fā)生負(fù)載短路等發(fā)生大電流的故障,Uce會(huì)上升很多,使得Vd7截止,EXB841的6腳“懸空”,B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開(kāi)始由約6V上升,當(dāng)上升至13V時(shí),Vz1被擊穿,V3導(dǎo)通,C4通過(guò)R7和V3放電,E點(diǎn)的電壓逐漸下降,V6導(dǎo)通,從而使IGBT的GE間電壓Uce下降,實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷,完成EXB841對(duì)IGBT的保護(hù)。射極電位為-5.1V,由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vz2決定。

作為IGBT的專用驅(qū)動(dòng)芯片,EXB841有著很多優(yōu)點(diǎn),能夠滿足一般用戶的要求。但在大功率高壓高頻脈沖電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中,其不足之處也顯而易見(jiàn)。
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(1)過(guò)流保護(hù)閾值過(guò)高。通常IGBT在通過(guò)額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降Uce約為3.5V,而EXB841的過(guò)流識(shí)別值為7.5V左右,對(duì)應(yīng)電流為額定電流的2~3倍,此時(shí)IGBT已嚴(yán)重過(guò)流。

(2)存在虛假過(guò)流。一般大功率IGBT的導(dǎo)通時(shí)間約為1μs左右。實(shí)際上,IGBT導(dǎo)通時(shí)尾部電壓下降是較慢的。實(shí)踐表明,當(dāng)工作電壓較高時(shí),Uce下降至飽和導(dǎo)通時(shí)間約為4~5μs,而過(guò)流檢測(cè)的延遲時(shí)間約為2.7μs.因此,在IGBT開(kāi)通過(guò)程中易出現(xiàn)虛假過(guò)流。為了識(shí)別真假過(guò)流,5腳的過(guò)流故障輸出信號(hào)應(yīng)延遲5μs,以便保護(hù)電路對(duì)真正的過(guò)流進(jìn)行保護(hù)。

(3)負(fù)偏壓不足。EXB841使用單一的20V電源產(chǎn)生+15V和-5V偏壓。在高電壓大電流條件下,開(kāi)關(guān)管通斷會(huì)產(chǎn)生干擾,使截止的IGBT誤導(dǎo)通。

(4)過(guò)流保護(hù)無(wú)自鎖功能。在過(guò)流保護(hù)時(shí),EXB841對(duì)IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷,并在5腳輸出故障指示信號(hào),但不能封鎖輸入的PWM控制信號(hào)。

(5)無(wú)報(bào)警電路。在系統(tǒng)應(yīng)用中,IGBT發(fā)生故障時(shí),不能顯示故障信息,不便于操作。
       
針對(duì)以上不足,可以考慮采取一些有效的措施來(lái)解決這些問(wèn)題。以下結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用的具體電路加以說(shuō)明。

4 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文基于EXB841設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,包括外部負(fù)柵壓成型電路、過(guò)流檢測(cè)電路、虛假過(guò)流故障識(shí)別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存電路,故障信息報(bào)警電路.
   
⑴ 外部負(fù)柵壓成型電路

針對(duì)負(fù)偏壓不足的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了外部負(fù)柵壓成型電路。
 


如圖2所示,用外接8V穩(wěn)壓管Vw1代替驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓管Vz2,在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)了兩個(gè)電容值分別為105μf和0.33μf的去耦濾波電容。為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰,在柵射極間并聯(lián)了反向串聯(lián)的16V(V02)和8V(V03)穩(wěn)壓二極管。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩,減小IGBT 集電極的電壓尖脈沖,需要在柵極串聯(lián)電阻Rg。柵極串連電阻Rg要恰當(dāng),Rg過(guò)小,關(guān)斷時(shí)間過(guò)短,關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高;Rg過(guò)大,器件的開(kāi)關(guān)速度降低,開(kāi)關(guān)損耗增大。優(yōu)化電路采用了不對(duì)稱的開(kāi)啟和關(guān)斷方法。在IGBT開(kāi)通時(shí),EXB841的3腳提供+16V的電壓,電阻Rg2經(jīng)二極管Vd1和Rg1并聯(lián)使Rg值較小。關(guān)斷時(shí),EXB841內(nèi)部的V5導(dǎo)通,3腳電平為0,優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路在IGBT的E極提供-8V電壓,使二極管V01截止,Rg= Rg1具有較大值。并在柵射極間并聯(lián)大電阻,防止器件誤導(dǎo)通。

 ⑵ 過(guò)流檢測(cè)電路

偏高的保護(hù)動(dòng)作閾值難起到有效地保護(hù)作用,必須合適設(shè)置此閾值。但由于器件壓降的分散性和溫度影響,又不宜設(shè)置過(guò)低。為了適當(dāng)降低動(dòng)作閾值,已經(jīng)提出了采用高壓降檢測(cè)二極管或采用串聯(lián)3.3V反向穩(wěn)壓二極管的方法。該方法不能在提高了負(fù)偏壓的情況下使用,因?yàn)檎?dǎo)通時(shí),IGBT約有3.5V左右的壓降,負(fù)偏壓的提高使6腳在正常情況下檢測(cè)到的電平將達(dá)到12V左右,隨著IGBT的工作電流增大,強(qiáng)電磁干擾會(huì)造成EXB841誤報(bào)警,出現(xiàn)虛假過(guò)流。本優(yōu)化電路采用可調(diào)的電流傳感器。如圖2所示。L為磁平衡式霍爾電流傳感器,可測(cè)量交流或直流電流,反應(yīng)時(shí)間小于1μs,輸出電壓Uout同輸入電流有很好的線性關(guān)系。該電路通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻Rw1設(shè)定基準(zhǔn)電流幅值而完成保護(hù),當(dāng)電流傳感器輸出大于給定值時(shí),比較器輸出+15V的高電平至EXB841的6腳,使EXB841的軟關(guān)斷電路工作。

⑶ 虛假過(guò)流故障識(shí)別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存電路

當(dāng)IGBT過(guò)流工作時(shí),EXB841的6腳靠上文論述的過(guò)流檢測(cè)電路檢測(cè)到過(guò)流發(fā)生,EXB841進(jìn)入軟關(guān)斷過(guò)程。內(nèi)部電路(C3,R6)產(chǎn)生約3μs的延時(shí),若3μs后過(guò)流依然存在,5腳輸出低電平作為過(guò)流故障指示信號(hào),高速光耦6N136導(dǎo)通,三極管Vs01截止,過(guò)流高速比較器LM319輸出高電平,電容C03通過(guò)R06充電,若LM319輸出持續(xù)高電平時(shí)間大于設(shè)定保護(hù)時(shí)間(一般為5μs),C03的電壓達(dá)到擊穿穩(wěn)壓管Vs03的電壓,使RS觸發(fā)器CD4043的置1端為高電平,從而Q端輸出高電平,Vs02導(dǎo)通,集電極輸出低電平,利用由74LS09構(gòu)成的與門(mén)封鎖輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。CD4043的信號(hào)延遲時(shí)間最大為幾百個(gè)ns,而74LS09的信號(hào)延遲時(shí)間最大為幾十個(gè)ns。因此,保護(hù)電路在信號(hào)響應(yīng)上足夠快。圖2中,在RS觸發(fā)器的R端加了復(fù)位按鈕,發(fā)生故障時(shí),RS觸發(fā)器將Q端輸出的高電平鎖住,當(dāng)排除故障后,可以按動(dòng)復(fù)位按鈕,接束對(duì)柵極控制信號(hào)的封鎖。

Vs02的集電極輸出同時(shí)接微處理器,可及時(shí)顯示故障信息,實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警。EXB841的軟關(guān)斷時(shí)間是由內(nèi)部元件R7和C4的時(shí)間常數(shù)決定的,為了提高軟開(kāi)關(guān)的可靠性,在EXB841的4和5兩端外加可調(diào)電阻Rw2,可調(diào)節(jié)軟關(guān)斷時(shí)間,在4和9腳兩端外加電容 C01,可避免過(guò)高的di/dt產(chǎn)生的電壓尖峰,但應(yīng)合理選擇二者的值,太大的值將增大內(nèi)部三極管V3的集電極電流。
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5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
 


 圖3為實(shí)測(cè)典型驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)波形,圖4為實(shí)測(cè)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路波形。通過(guò)兩圖的對(duì)比,不難看出,典型驅(qū)動(dòng)電路的反向關(guān)斷電壓不到-5V,正向驅(qū)動(dòng)電壓小于14.5V。而優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的反偏壓則基本達(dá)到或接近于-8V,正向驅(qū)動(dòng)電壓更是超過(guò)了+15V,正反向驅(qū)動(dòng)電壓值得到調(diào)整的同時(shí),前后沿陡度也得到極大改善。

原EXB841典型驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到大功率高壓高頻脈沖電源中,電源逆變部分由于負(fù)偏壓不足,容易引起橋臂直通,導(dǎo)致IGBT經(jīng)常炸毀。又因?yàn)楦哳l造成的強(qiáng)電磁干擾,致使IGBT電流較小時(shí)就產(chǎn)生虛假過(guò)流的故障保護(hù),使得設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。優(yōu)化電路應(yīng)用到電源后,以上故障均得以很大程度上的消除。能夠滿足設(shè)備正常工作的要求。

6 結(jié)論

本文在對(duì)IGBT器件的驅(qū)動(dòng)要求進(jìn)行深入分析之后,在研究了EXB841驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上,指出了其存在的諸多不足。再結(jié)合這些問(wèn)題設(shè)計(jì)了實(shí)用性較強(qiáng)的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有較強(qiáng)的過(guò)流識(shí)別能力,并能夠區(qū)分真假過(guò)流,從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)。將優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于大功率高壓高頻脈沖電源中,證明了所設(shè)計(jì)的電路完全可以對(duì)IGBT進(jìn)行有效驅(qū)動(dòng)、控制和過(guò)流保護(hù)。

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