【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2]。 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 CE 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 [2,3,4]。 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(xiāo)時(shí)，在 GE 兩端產(chǎn)生 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 ，由 EXB841 內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管 Vz2 決定。 作為 IGBT 的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片， EXB841 有著很多優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足一般用戶(hù)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)。 （ 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 ，而 EXB841 的過(guò)流識(shí)別值為 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 1181。s 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～ 5181。s，而過(guò)流檢測(cè)的延遲時(shí)間約為 ，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 5181。s，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 [5,6,7]。 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 105181。f 和 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(chēng)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) 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 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 1181。s，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 3181。s 的延時(shí)，若 3181。s 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 5181。s）， 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。 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 。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(mǎn)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)。 注意事項(xiàng)及 EXB841 典型應(yīng)用電路 根據(jù)以上分析，有以下幾個(gè)方面需要注意： 1） EXB841 只有 s 的延時(shí)，慢關(guān)斷動(dòng)作時(shí)間約 8μ s，與使用手冊(cè)上標(biāo)明的“對(duì) 10μ s 的過(guò)電流不動(dòng)作”是有區(qū)別的 2）由于僅有 s 的延時(shí)，只要大于 s 的過(guò)流都會(huì)使慢關(guān)斷電路工作。由于慢關(guān)斷電路的放電 時(shí)間常數(shù) t2 較小，充電時(shí)間常數(shù) t3較大，后者是前者的 10 倍，因此慢關(guān)斷電路一旦工作，即使短路現(xiàn)象很快消失， EXB841 中的腳 3 輸出也難以達(dá)到Μ ge＝＋ 15V 的正常值。如果 EXB841 的 C4已放電至終了值（ ），則它被充電至 20v 的時(shí)間約為 140μ s，與本脈沖關(guān)斷時(shí)刻相距 140μ s 以?xún)?nèi)的所有后續(xù)脈沖正電平都不會(huì)達(dá)到Μ ge=＋ 15V，即慢關(guān)斷不僅影響本脈沖，而且可能影響后續(xù)的脈沖。 3）由圖 2－ 67 可知光耦合器 IS01 由十 5V 穩(wěn)壓管供電，這似乎簡(jiǎn)化了電路，但由于 EXB841 的腳 1 接在 IGBT 的 E 極， IGBT 的開(kāi)通和截止會(huì)造成其電位很大的跳動(dòng)，可能會(huì)有浪涌尖峰，這無(wú)疑對(duì) EXB841 可靠運(yùn)行不利。另外，從其 PCB 實(shí)際走線來(lái)看，光耦合器陰叮的腳 8 到穩(wěn)壓管 VZZ 的走線很長(zhǎng)，而且很靠近輸出級(jí)（ V V5），易受干擾。 4） IGBT 開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，穩(wěn)壓管 VZ2 易受浪涌電壓和電流沖擊，易損壞。另外，從印刷電路板 PCB 實(shí)際走線看， VZ2 的限流電阻 R10 兩端分別接在 EXB841的腳 1 和腳 2 上，在實(shí)際電路測(cè)試時(shí)易 被示波器探頭等短路，從而可能損壞 VZ2，使 EXB841 不能繼續(xù)使用。 （ 3）驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用 EXB850和 EXB851 驅(qū) 動(dòng)器分別能驅(qū)動(dòng) 150A/600V、 75A/1200V、 400A/600V、 300A/1200V 的 IGBT，驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲 4Μ s，適用于高達(dá) 10kHz 的開(kāi)關(guān)電路。應(yīng)用電路如圖 2－ 69 所示。如果 IGBT 集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，可增大 IGBT柵極串聯(lián)電阻 Rg 來(lái)加以限制。 EXB84O/EXB841 高速型驅(qū)動(dòng)器分別能驅(qū)動(dòng) 150A/600V、 75A/1200V、 400A/600V、 200A/1200V 的 IGBT，驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲＜ lμ s，適用于高達(dá) 40kHz的開(kāi)關(guān)電路。它的應(yīng)用電路如圖 2－ 70 所示。 （ 4）使用 EXB 系列驅(qū)動(dòng)器應(yīng)注意的問(wèn)題 l）輸入與輸出電路應(yīng)分開(kāi)，即輸入電路（光耦合器）接線遠(yuǎn)離輸出電路，以保證有適當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度和高的噪音阻抗。 2）使用時(shí)不應(yīng)超過(guò)使用手冊(cè)中給出的額定參數(shù)值。如果按照推薦的運(yùn)行條件工作， IGBT 工作情況最佳。如果使用過(guò)高的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)損壞 IGBT，而不足的驅(qū)動(dòng)電壓又會(huì)增加 IGBT 的通態(tài)壓降。過(guò)大的輸入電流會(huì)增加驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)延遲，而不足的輸入電流會(huì)增加 IGBT 和二極管的開(kāi)關(guān)噪聲。 3） IGBT 的柵、射極回路的接線長(zhǎng)度一定要小于 lm，且應(yīng)使用雙絞線。 4）電路中的電容器 C1 和 C2 用來(lái)平抑 因電源接線阻抗引起的供電電壓變化，而不是作為電源濾波用。 5）增大 IGBT 的柵極串聯(lián)電阻 Rg，抑制 IGBT 集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖。 最后，再談一下 IGBT 的保護(hù)問(wèn)題。因?yàn)?IGBT 是由 MOSFET 和 GTR 復(fù)合而成的，所以 IGBT 的保護(hù)可按 GTR、 MOSFET 保護(hù)電路來(lái)考慮。主要是柵源過(guò)壓保護(hù)、靜電保護(hù)、準(zhǔn)飽和運(yùn)行、采用 R－ C－ VD 緩沖電路等等。這些前面已經(jīng)講過(guò)，故不再贅述。另外應(yīng)在 IGBT 電控系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和 過(guò)熱保護(hù)單元，以保證安全可靠工作。應(yīng)該指出，必須保證 IGBT 不發(fā)生擎住效應(yīng)。具體做法是， 實(shí)際中 IGBT 使用的最大電流不超過(guò)其額定電流。 圖 270EXB841 典型應(yīng)用電路 歡迎投稿 《豁然齋挑剔坊》 與我爭(zhēng)鳴！ ? 聯(lián)系接洽 基于單片機(jī)與 TC787 芯片的三相半控整流電路設(shè)計(jì) [日期： 20221225