GBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件，既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關特性，又具有雙極晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點，作為高功率大電流的電能變換功率開關器件得到了廣泛的應用.IGBT的門極驅(qū)動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力及du/dt等參數(shù)，并決定了IGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性.因此，設計高性能的驅(qū)動與保護電路是安全使用IGBT的關鍵技術.日本FUJI公司的EXB841芯片是一種典型的適用于300A以下IGBT的驅(qū)動電路，具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，在國內(nèi)外得到了廣泛應用，但在中高頻逆變電路的實際應用中還存在一些不足，導致IGBT的誤導通或誤關斷，嚴重影響了設備的穩(wěn)定性與可靠性.因此，基于EXB841的驅(qū)動電路優(yōu)化設計成為了人們研究的重要內(nèi)容.大多數(shù)文獻提出了采用高壓降檢測二極管或穩(wěn)壓管與二極管反向串接等方法降低動作閾值，但調(diào)整受到較大限制.
本文在詳細研究EXB841電路結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎上，設計了一種優(yōu)化驅(qū)動電路.該電路應用在大功率全橋逆變DBD型臭氧發(fā)生電源中，使用效果證明該優(yōu)化電路解決了典型電路存在的問題，如電源在極小電流時的虛假過流報警、逆變橋直通，進一步提高了EXB841驅(qū)動的可靠性.

1 驅(qū)動芯片EXB841
圖1所示為EXB841的內(nèi)部電路和典型應用電路圖，主要有3個工作過程：正常開通過程、正常關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10～15V的正向觸發(fā)控制脈沖電壓施加于15和14腳時，在GE兩端產(chǎn)生約16 v的IGBT開通電壓；當觸發(fā)控制脈沖電壓撤消時，在GE兩端產(chǎn)生約-5.1 V的IGBT關斷電壓.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V7檢測.當IGBT開通時，若發(fā)生負載短路等產(chǎn)生大電流的故障，Uce上升很多，會使得二極管V7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點和C點電位開始由約6 V 上升，當上升至13 V 時，Vs1被擊穿，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，V6導通，從而使IGBT的GE間電壓Uge下降，實現(xiàn)緩關斷，完成EXB841對IGBT的保護.E點電位Ue為-5.1 V，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vs2決定.

圖1 EXB841內(nèi)部電路與典型應用
作為IGBT的驅(qū)動芯片，EXB841有著很多的優(yōu)點，但也存在著不足：
1)過流保護閾值太高：由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，EXB841判定過流的主要依據(jù)是6腳電壓.6腳電壓U6不僅和Uce有關，還和二極管V7的導通電壓Ud及Ue有關，V7在0.5～0.6 V時即可開通，故過流保護閾值Uceo=U6-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V.通常IGBT在通過額定電流時導通壓降Uce為3.5V，當Uce=Uceo =7.5 V時。IGBT已嚴重過流，對應電流約為額定電流的2～3倍，因此，應降低Uceo.
2)負偏壓不足：EXB841為了防止較高dv/dt引起IGBT誤動作設置了負柵壓，實際負柵壓值一般不到-5 v.在大功率臭氧電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應用中，電磁干擾使負柵壓信號中存在隨工作電流增大而增大的干擾尖鋒脈沖，其值可超過6V，甚至達到8-9 V，能導致截止的IGBT誤導通，造成橋臂直通.因此，有必要適當提高負偏壓.實際表明，在合理布局的基礎上，需采用8V左右的負偏壓.
3)存在虛假過流：一般大功率IGBT的導通時間ton在1us左右.實際上，IGBT導通時尾部電壓下降是較慢的，實驗表明，當工作電壓較高時，Uce下降至飽合導通壓降約需4～5 s，而過流檢測的延遲時間約為2.7 s.因此，在IGBT開通過程中，若過流保護動作閾值太高，會出現(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延時5us，以便外部保護電路對真正的過流進行保護，在EXB841完成內(nèi)部軟關斷后再封鎖外加PWM信號.
4)過流保護無自鎖功能：在出現(xiàn)過流時，EXB841將正常的驅(qū)動信號變成一系列降幅脈沖實現(xiàn)IGBT的軟關斷，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.因5腳輸出信號無鎖存功能，須在發(fā)生真正的過流時，用觸發(fā)器鎖定故障輸出信號，用外部電路實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護和停機.
5)軟關斷不可靠：檢測到過流后，EXB841有較長的軟關斷時間，導致保護動作慢，保護效果變差.

2 驅(qū)動電路優(yōu)化設計
針對上述EXB841典型應用中存在的不足，在設計臭氧逆變電源中，研究與設計了圖2所示的基于EXB841的優(yōu)化驅(qū)動電路，包括外部負柵壓成型電路、過流檢測電路、虛假過流故障識別與故障信號鎖存電路.

圖2 EXB841的優(yōu)化驅(qū)動電路
2.1 外部負柵壓成型電路
IGBT柵射極的驅(qū)動電壓大小需根據(jù)不同的應用場合作出積極的調(diào)整.本設計中，將IGBT的射極E改為與外部負柵壓成型電路的輸出直接相連，用外接8V穩(wěn)壓管Vs02代替EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓管Vs2，限流電阻R012為4.7 kΩ，在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)了兩個電容值分別為10uF(C05)和0.33uF(C06)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)了反向串接的16 V(Vs04)與8 V(Vs05)穩(wěn)壓二極管.
負偏壓和保護特性是互相影響的.在通過外接穩(wěn)壓管提高負偏壓時，正向驅(qū)動電壓將下降.因為受內(nèi)置檢測穩(wěn)壓二極管Vs1穩(wěn)壓值的限制，負偏壓和保護閾值電壓之和不得高于13 V，否則將被視為過流狀態(tài)而不能正常工作.因此，在提高負偏壓的同時，為保證可靠穩(wěn)定的工作，采用24 V單獨直流電源供電以提高正向控制電壓.
為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯(lián)電阻Rg .Rg增大會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加，但在IGBT關斷時，可以延長關斷時問以便減小過電壓，防止較大的du/dt導致IGBT發(fā)生擎住效應；減小Rg又會加大電流的變化率，可能引起誤導通或損壞IGBT，故應合理設計柵極串聯(lián)電阻Rg .優(yōu)化驅(qū)動電路采用了不對稱的開啟和關斷方法.在IGBT開通時，EXB841的3腳提供+16 V電壓，電阻Rg1經(jīng)二極管V03和Rg2并聯(lián)使Rg值較小，有利于減小IGBT的開通時間和開通損耗，在IGBT關斷時，EXB841內(nèi)部的V5導通，3腳電平為0，優(yōu)化驅(qū)動電路在IGBT的E極提供-8 V電壓，使二極管V03截止，Rg=Rg2具有較大值，并用30 kΩ的電阻Rge和30 pF電容并聯(lián)抑制干擾.