基于EXB841的IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路研究

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)動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、快開關(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)與動態(tài)特性。因此設(shè)計(jì)高性能的驅(qū)動與保護(hù)電路是安全使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)[1,2]。

2 IGBT對驅(qū)動電路的要求

（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過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大；
（3）柵射電壓要適當(dāng)。增大柵射正偏壓對減小開通損耗和導(dǎo)通損耗有利，但也會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)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。

當(dāng)然驅(qū)動電路還要注意像防止門極過壓等其他一些問題。日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅(qū)動電路。其功能比較完善，在國內(nèi)外得到了廣泛[2,3,4]。

3 驅(qū)動芯片EXB841的控制原理

圖 1 EXB841的工作原理

圖1為EXB841的驅(qū)動原理[4,5]。其主要有三個(gè)工作過程：正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保護(hù)動作過程。14和15兩腳間外加PWM控制信號，當(dāng)觸發(fā)脈沖信號施加于14和15引腳時(shí)，在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開通電壓；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。過流保護(hù)動作過程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過流而進(jìn)行保護(hù)的，Uce由二極管Vd7檢測。當(dāng)IGBT開通時(shí)，若發(fā)生負(fù)載短路等發(fā)生大電流的故障，Uce會上升很多，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。

（1）過流保護(hù)閾值過高。通常IGBT在通過額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降Uce約為3.5V，而EXB841的過流識別值為7.5V左右，對應(yīng)電流為額定電流的2～3倍，此時(shí)IGBT已嚴(yán)重過流。

（2）存在虛假過流。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，而過流檢測的延遲時(shí)間約為2.7µs.因此，在IGBT開通過程中易出現(xiàn)虛假過流。為了識別真假過流，5腳的過流故障輸出信號應(yīng)延遲5µs，以便保護(hù)電路對真正的過流進(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，開關(guān)管通斷會產(chǎn)生干擾，使截止的IGBT誤導(dǎo)通。

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

（5）無報(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。
針對以上不足，可以考慮采取一些有效的措施來解決這些問題。以下結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用的具體電路加以說明。

4 驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文基于EXB841設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動電路如圖2所示，包括外部負(fù)柵壓成型電路、過流檢測電路、虛假過流故障識別與驅(qū)動信號鎖存電路，故障信息報(bào)警電路[5,6,7]。

⑴ 外部負(fù)柵壓成型電路

針對負(fù)偏壓不足的問題，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過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大。優(yōu)化電路采用了不對稱的開啟和關(guān)斷方法。在IGBT開通時(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 過流檢測電路

偏高的保護(hù)動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)置過低。為了適當(dāng)降低動作閾值，已經(jīng)提出了采用高壓降檢測二極管或采用串聯(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)電磁干擾會造成EXB841誤報(bào)警，出現(xiàn)虛假過流。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。該電路通過調(diào)節(jié)滑動電阻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。