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(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(mén)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)電路是安全使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)[1,2],。

　　2 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

　?。?）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,；

　?。?）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,；

　?。?）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-5.1V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-5.1V,，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vz2決定。

圖 1 EXB841的工作原理

　　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),。

　?。?）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2～3倍，此時(shí)IGBT已嚴(yán)重過(guò)流,。

　?。?）存在虛假過(guò)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(guò)流檢測(cè)的延遲時(shí)間約為2.7µs.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5µs,，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。

　?。?）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)。

　?。?）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],。

　?、?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105µf和0.33µf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,。

　?、?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)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1µs,，輸出電壓Uout同輸入電流有很好的線(xiàn)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。

　?、?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3µs的延時(shí),，若3µs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5µs）,，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14.5V。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),。