EXB841驱动电路

1、基于EXB841 的IGBT 驱动和保护电路研究多绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种由双极型晶体管与MOSFET组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电能变换装置中得到了广泛应用。但是，IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、快开关损耗、承受短路电流能力及du/dt等参数，并决定了 IGBT静态与动态特性。因此设计高性能的驱动与保护电路是安全使用IGBT的关键技术1,2。IGBT对驱动电路的要求（1）触发脉冲要具有足够快的上升

2、和下降速度，即脉冲前后沿要陡峭；（2） 栅极串连电阻Rg要恰当。Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速度降低，开关 损耗增大；（3）栅射电压要适当。增大栅射正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使管子承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此，正偏压要适当，通常为+15V。为了保证在 C-E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（510） V;（4） 当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IG

3、BT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。当然驱动电路还要注意像防止门极过压等其他一些问题。日本FUJI公司的EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内外得到了广泛2,3,4。3驱动芯片EXB841的控制原理图1 EXB841的工作原理14和15两脚间图1为EXB841的驱动原理4,5。其主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的IGBT开通电压；当触发控制脉冲撤销时，在GE两端产生-5.

4、1V的IGBT关断电压。过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管Vd7检测。当IGBT开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得 Vd7截止，EXB841的6脚 悬空” B点和C点电位开始由约6V上升，当上升至13V时，Vz1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，V6导通，从 而使IGBT的GE间电压Uce下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。射极电位为-5.1V，由EXB841内部的稳压二极管 Vz2决定。作为IGBT的专用驱动芯片，EXB841有着很多优点，能够满足一般用户的

5、要求。但在大功率高压高频脉冲电源等具有较大电磁 干扰的全桥逆变应用中，其不足之处也显而易见。（1）过流保护阈值过高。 通常IGBT在通过额定电流时导通压降Uce约为3.5V，而EXB841的过流识别值为7.5V左右，对应电流为额定电流的2- 3倍，此时IGBT已严重过流。(2) 存在虚假过流。一般大功率IGBT的导通时间约为1gs左右。实际上，IGBT导通时尾部电压下降是较慢的。实践表明，当工作电压较高时，Uce下降至饱和导通时间约为 45，而过流检测的延迟时间约为2.7(S.因此，在IGBT开通过程中易出现虚假过流。为了识别真假过流，5脚的过流故障输出信号应延迟5gs，以便保护电路对真正的过

6、流进行保护。(3) 负偏压不足。EXB841使用单一的20V电源产生+15V和-5V偏压。在高电压大电流条件下，开关管通断会产生干扰，使截 止的IGBT误导通。(4) 过流保护无自锁功能。在过流保护时，EXB841对IGBT进行软关断，并在5脚输出故障指示信号， 但不能封锁输入的 PWM 控制信号。(5) 无报警电路。在系统应用中，IGBT发生故障时，不能显示故障信息，不便于操作。针对以上不足，可以考虑采取一些有效的措施来解决这些问题。以下结合实际设计应用的具体电路加以说明。4驱动电路优化设计本文基于EXB841设计IGBT的驱动电路如图2所示，包括外部负栅压成型电路、过流检测电路、虚假过流故

7、障识别与驱动信号 锁存电路，故障信息报警电路 5,6,7。外部负栅压成型电路针对负偏压不足的问题，设计了外部负栅压成型电路。丄.iiJ*yr +IW 如图2所示，用外接8V稳压管Vw1代替驱动芯片内部的稳压管Vz2，在稳压管两端并联了两个电容值分别为105 gf和0.33曲的去耦滤波电容。为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅射极间并联了反向串联的16V (V02 )和8V (V03 )稳压二极管。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT集电极的电压尖脉冲，需要在栅极串联电阻Rg。栅极串连电阻 Rg要恰当，Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速

8、度降低，开关损耗增大。优化电路采用了不对称的开启和关断方法。在IGBT开通时，EXB841的3脚提供+16V的电压，电阻 Rg2经二极管Vd1和Rg1并联使Rg值较小。关断时，EXB841内部的V5导 通，3脚电平为0，优化驱动电路在IGBT的E极提供-8V电压，使二极管V01截止，Rg= Rg1具有较大值。并在栅射极间并联大电阻， 防止器件误导通。过流检测电路偏高的保护动作阈值难起到有效地保护作用，必须合适设置此阈值。但由于器件压降的分散性和温度影响，又不宜设置过低。为了适当降低动作阈值，已经提出了采用高压降检测二极管或采用串联3.3V反向稳压二极管的方法。该方法不能在提高了负偏压的情况下使

9、用，因为正常导通时，IGBT约有3.5V左右的压降，负偏压的提高使6脚在正常情况下检测到的电平将达到12V左右，随着IGBT的工作电流增大，强电磁干扰会造成EXB841误报警，出现虚假过流。本优化电路采用可调的电流传感器。如图2所示。L为磁平衡式霍尔电流传感器，可测量交流或直流电流，反应时间小于1购，输出电压Uout同输入电流有很好的线性关系。该电路通过调节滑动电阻Rw1设定基准电流幅值而完成保护，当电流传感器输出大于给定值时，比较器输出+15V的高电平至EXB841的6脚，使EXB841的软关断电路工作。虚假过流故障识别与驱动信号锁存电路当IGBT过流工作时，EXB841的6脚靠上文论述的过

10、流检测电路检测到过流发生，EXB841进入软关断过程。内部电路（C3,R6 ）产生约3购的延时，若3购后过流依然存在，5脚输出低电平作为过流故障指示信号，高速光耦6N136导通，三极管 Vs01截止，过流高速比较器LM319输出高电平，电容 C03通过R06充电，若LM319输出持续高电平时间大于设定保护时间（一般为5购），C03的电压达到击穿稳压管 VS03的电压，使RS触发器CD4043的置1端为高电平，从而 Q端输出高电平，Vs02导通，集电极输出低电平，利 用由74LS09构成的与门封锁输入驱动信号。CD4043的信号延迟时间最大为几百个ns,而74LS09的信号延迟时间最大为几十个n

11、s。因此，保护电路在信号响应上足够快。图2中，在RS触发器的R端加了复位按钮，发生故障时， RS触发器将Q端输出的高电平锁住，当排除故障后，可以按动复位按钮，接束对栅极控制信号的封锁。VS02的集电极输出同时接微处理器，可及时显示故障信息，实现故障报警。EXB841的软关断时间是由内部元件R7和C4的时间常数决定的，为了提高软开关的可靠性，在EXB841的4和5两端外加可调电阻 Rw2，可调节软关断时间，在 4和9脚两端外加电容C01，可避免过高的di/dt产生的电压尖峰，但应合理选择二者的值，太大的值将增大内部三极管V3的集电极电流。5实验结果分析XftT.COM图3典型驱动电路波形图3为实

12、测典型驱动电路驱动波形，图4为实测优化驱动电路波形。通过两图的对比，不难看出，典型驱动电路的反向关断电压不到-5V，正向驱动电压小于 14.5V。而优化驱动电路的反偏压则基本达到或接近于-8V，正向驱动电压更是超过了+15V，正反向驱动电压值得到调整的同时，前后沿陡度也得到极大改善。原EXB841典型驱动电路应用到大功率高压高频脉冲电源中，电源逆变部分由于负偏压不足，容易引起桥臂直通，导致IGBT经常炸毁。又因为高频造成的强电磁干扰，致使IGBT电流较小时就产生虚假过流的故障保护，使得设备无法正常运行。优化电路应用到电源后，以上故障均得以很大程度上的消除。能够满足设备正常工作的要求。6结论本文在对IGBT器件的驱动要求进行深入分析之后，