EXB841驅(qū)動(dòng)電路

1、當(dāng)然驅(qū)動(dòng)電路還要注意像防止門極過(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，是一種比擬典型的驅(qū)動(dòng)電路。其功能比擬完善，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的工作原理圈 T EXB341 的工作康理圖 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。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)

2、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)，假設(shè)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-5.1 V,由 EXB841 內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管 Vz2基丁 EXB841 的 IGBT 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

3、電路研究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)電路是平安使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)1,2。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;(

4、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

5、軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。CftT.CChM2,3,4。14和 15兩腳間決定。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，其缺乏之處也顯而易見(jiàn)。(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 23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 1歸左右。實(shí)際上，IGBT導(dǎo)通時(shí)尾部電壓下降是較慢的。實(shí)踐說(shuō)明，當(dāng)工作電壓較高時(shí)，Uce下

6、降至飽和導(dǎo)通時(shí)間約為 45餌，而過(guò)流檢測(cè)的延退時(shí)間約為2.7餌.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5 gs,以便保護(hù)電路對(duì)真正的過(guò)流進(jìn)行保護(hù)。(3)負(fù)偏壓缺乏。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)以上缺乏，可以考

7、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 5,6,7。外部負(fù)柵壓成型電路針對(duì)負(fù)偏壓缺乏的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了外部負(fù)柵壓成型電路。HI, FT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105 gf 和 0.33 f 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

8、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

9、誤導(dǎo)通。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，必須適宜設(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)到的電平將到達(dá)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1g,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)電阻爾電流

10、傳感器，可測(cè)量交流或直流電流，反響時(shí)間小于Rw1 設(shè)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)，比擬器輸出+15V的高電平至 EXB841的 6 腳，使 EXB841的軟關(guān)斷電路工作。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 3g的延時(shí)，假設(shè) 3g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)流高速比擬器 LM319輸出高電平，電容 C03 通過(guò) R06充電，假設(shè) LM319輸出持續(xù)高電平時(shí)間大于設(shè)

11、定保護(hù)時(shí)間一般為 5 g , C03 的電 壓到達(dá)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。EXB84

12、1 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,可防止過(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。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 XftT.COM圖3典型驅(qū)動(dòng)電路波形圖 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)兩圖的比照，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)電路的反偏壓那么根本到達(dá)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，電源逆變局部由于負(fù)偏壓缺乏，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