中心議題:
- IGBT對驅(qū)動電路的要求
- 驅(qū)動芯片EXB841的控制原理
- 驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計
解決方案:
- 基于EXB841的IGBT驅(qū)動與保護電路設(shè)計方案
- 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,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)計高性能的驅(qū)動與保護電路是安全使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)。
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)斷時間過短,關(guān)斷時產(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噪聲時可靠關(guān)斷,關(guān)斷時必須在柵極施加負(fù)偏壓,以防止受到干擾時誤開通和加快關(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,能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流,實現(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、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。
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]。其主要有三個工作過程:正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保護動作過程。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,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,在GE兩端產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過流保護動作過程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過流而進行保護的,Uce由二極管Vd7檢測。當(dāng)IGBT開通時,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點和C點電位開始由約6V上升,當(dāng)上升至13V時,Vz1被擊穿,V3導(dǎo)通,C4通過R7和V3放電,E點的電壓逐漸下降,V6導(dǎo)通,從而使IGBT的GE間電壓Uce下降,實現(xiàn)軟關(guān)斷,完成EXB841對IGBT的保護。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,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。
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(1)過流保護閾值過高。通常IGBT在通過額定電流時導(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)通時間約為1μs左右。實際上,IGBT導(dǎo)通時尾部電壓下降是較慢的。實踐表明,當(dāng)工作電壓較高時,Uce下降至飽和導(dǎo)通時間約為4~5μs,而過流檢測的延遲時間約為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,以便保護電路對真正的過流進行保護。
(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)過流保護無自鎖功能。在過流保護時,EXB841對IGBT進行軟關(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)無報警電路。在系統(tǒng)應(yīng)用中,IGBT發(fā)生故障時,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)合實際設(shè)計應(yīng)用的具體電路加以說明。
4 驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計
本文基于EXB841設(shè)計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,故障信息報警電路.
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)斷時間過短,關(guān)斷時產(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,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,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
偏高的保護動作閾值難起到有效地保護作用,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,因為正常導(dǎo)通時,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到12V左右,隨著IGBT的工作電流增大,強電磁干擾會造成EXB841誤報警,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,當(dāng)電流傳感器輸出大于給定值時,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 虛假過流故障識別與驅(qū)動信號鎖存電路
當(dāng)IGBT過流工作時,EXB841的6腳靠上文論述的過流檢測電路檢測到過流發(fā)生,EXB841進入軟關(guān)斷過程。內(nèi)部電路(C3,R6)產(chǎn)生約3μs的延時,若3μs后過流依然存在,5腳輸出低電平作為過流故障指示信號,高速光耦6N136導(dǎo)通,三極管Vs01截止,過流高速比較器LM319輸出高電平,電容C03通過R06充電,若LM319輸出持續(xù)高電平時間大于設(shè)定保護時間(一般為5μs),C03的電壓達到擊穿穩(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)成的與門封鎖輸入驅(qū)動信號。CD4043的信號延遲時間最大為幾百個ns,而74LS09的信號延遲時間最大為幾十個ns。因此,保護電路在信號響應(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,RS觸發(fā)器將Q端輸出的高電平鎖住,當(dāng)排除故障后,可以按動復(fù)位按鈕,接束對柵極控制信號的封鎖。
Vs02的集電極輸出同時接微處理器,可及時顯示故障信息,實現(xiàn)故障報警。EXB841的軟關(guān)斷時間是由內(nèi)部元件R7和C4的時間常數(shù)決定的,為了提高軟開關(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)斷時間,在4和9腳兩端外加電容 C01,可避免過高的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 實驗結(jié)果分析
圖3為實測典型驅(qū)動電路驅(qū)動波形,圖4為實測優(yōu)化驅(qū)動電路波形。通過兩圖的對比,不難看出,典型驅(qū)動電路的反向關(guān)斷電壓不到-5V,正向驅(qū)動電壓小于14.5V。而優(yōu)化驅(qū)動電路的反偏壓則基本達到或接近于-8V,正向驅(qū)動電壓更是超過了+15V,正反向驅(qū)動電壓值得到調(diào)整的同時,前后沿陡度也得到極大改善。
原EXB841典型驅(qū)動電路應(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。又因為高頻造成的強電磁干擾,致使IGBT電流較小時就產(chǎn)生虛假過流的故障保護,使得設(shè)備無法正常運行。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IGBT器件的驅(qū)動要求進行深入分析之后,在研究了EXB841驅(qū)動原理的基礎(chǔ)上,指出了其存在的諸多不足。再結(jié)合這些問題設(shè)計了實用性較強的優(yōu)化驅(qū)動電路。該電路具有較強的過流識別能力,并能夠區(qū)分真假過流,從而對系統(tǒng)進行有效保護。將優(yōu)化驅(qū)動電路應(yīng)用于大功率高壓高頻脈沖電源中,證明了所設(shè)計的電路完全可以對IGBT進行有效驅(qū)動、控制和過流保護。