作者：海飞乐技术 时间：2017-05-06 12:26
1. 引言
IGBT是80年代出现的新型复合开关器件。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有GTR的通态电压低、耐压高和承受大电流等特点，因此发展很快，在电气传动、中频和开关电源、逆变器和不停电电源(UPS)等诸多应用领域备受青睐。
要较好地应用IGBT，首先必须根据它的特点设计合理实用的驱动电路并采取有关的保护措施。EXB841是日本富士公司为其大功率IGBT产品配套的专用驱动模块，它充分考虑了IGBT的特点，是具有代表性的一种驱动电路，目前在国内应用较广，因此彻底弄清其内部结构、详细工作特性以及存在的同题无疑具有较大的现实意义。
2. EXB841工作原理
EXB841 是日本富士公司提供的300A/1200V快速型IGBT驱动专用模块，整个电路延迟时间不超过1μs，最高工作频率达40~50kHz，它只需外部提供一个+20V单电源，内部产生一个-5V反偏压，模块采用高速光藕隔离，射极输出。有短路保护和慢速关断功能。
图1 EXB841功能框图
EXB841主要由放大、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成。其中放大部分由TLP550,V2,V4,V5和R1,C1,R2,R9组成，TLP55起信号输入和隔离作用，V2是中间级，V4和V5组成推挽输出;短路过流保护部分由V1,V3,V6,VZ1和C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等组成，实现过流检测和延时保护功能。EXB841的6脚通过快速恢复二极管接至IGBT的C极，检测IGBT的集射之间的通态电压降的高低来判断IGBT的过流情况加以保护；5V电压基准部分由R10,VZ2,C5组成，为IGBT驱动提供-5V反偏压。
图2 EXB841原理图
(1)正常开通过程
当控制电路使EXB841输入端14和15脚有10mA的电流流过时，光藕ISO1导通，A点电位迅速下降至0V，使VI,V2截止；V2截止使D点电位上升至20V，V 4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻RG向IGBT提供电流使之迅速导通，IGBT的VCE下降至3V，与此同时，EXB841的V1截止使+20V电源通过R3向电容C2充电，时间常数τ1为 τ1=R3C2=2.42μs （1）
又使B点电位上升，它们由零上升到13V的时间可如下求得。 13=20(1-e-t/τ1) (2)
t=2.54μS (3)
然而由于IGBT约1μs后已导通，VCE下降至3V左右，从而使EXB841的6脚电位特制在8V左右，因此B点和C点电位不会充至13V，而是充至8V左右，这个过程时间为1.24μs；又稳压管VZ1的稳压值为13V，IGBT正常开通时不会被击穿，V3不通，E点电位仍为20V，二极管V6截止，不影响V4和V5的正常工作。
(2)正常关断过程
控制电路使EXB841输入端14和15脚无电流流过，光藕ISO1不通，A点电位L升使V1和V2导通；V2导通使V4截止，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的1脚电位迅速下降至0V（相对于EXB841的1脚低5V），使IGBT可靠关断,VCE迅速上升，使EXB841的6脚“悬空”。与此同时V1导通，C2通过V1更快放电，将B点和c点电位箱制在0V，使VZ1仍不通，后续电路不会动作，IGBT正常关断。
(3)保护动作过程
设IGBT正常导通，则EXB841中V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，VZ1不被击穿，V3不通，E点电位保持在20V ，二极管V6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，VCE上升很多，二极管V7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位由8V上升，当上升至13V时，VZ1被击穿，V3导通，C4 通过R7和V3放电，E点电位逐渐下降，二极管V6导通使D点电位也逐渐下降，从而使EXB841的3脚电位也逐步下降，慢慢关断IGBT。
其中B点和C点电位由于8V上升到13V的时间可如下求得。 13=20(1-e-t/τ1)-8e-t/τ1) (4)
t=1.3μS (5)
又C4与R7组成的时间常数为 τ2=C3R7=4.84μs (6)
则E点由20V下降到3.6V的时间可如下求得。 3.6=20e-t/τ3 (7)
t=8.3μs (8)
此时慢关断过程结束，IGBT栅极上所受偏压为-（5-3、6-1、4）=0V（设V3管压降为0.3V，D6和V5的结压降为0.7V）。这种信号使EXB841中光耦IS01截止，此时V1和V2导通，V2导通使D点下降至0V，从而V4完全截止。V5完全导通，IGBT栅极所受偏压由慢关断时的0V迅速下降到-5V，IGBT完全关断，V1导通使C2迅速放电、V3截止。20V电源通过R8对C4充电，RC时间常数为 τ3=C8R4=48.4μs (9)
则E点由3.6V充至19V的时间可如下求得。 19=20(1-e-t/τ3)-3.6e-t/τ3) (10)
t=135μS (11)
即E点恢复到正常状态需约135μs，至此EXB841完全恢复到正常状态，可以进行正常的驱动。
2. 分析
与前述IGBT驱动条件和保护策略相对照，以上叙述说明EXB841确实充分考虑到lGBT的特点，电路简单实用，有如下特色。
(1)模块仅需单电源=20V供电，它通过内部5V稳压管为IGBT提供了+VCE=+15V，-VGE=-5V的电平，既满足了IGBT的驱动条件，又简化了电路，为整个系统设计提供了很大方便。
(2)输入采用高速光罩隔离电路、既满足了隔离和快速要求。又在很大程度上使电路结构简化。
(3)通过细心设计，将过流时降低VCE与慢关断技术综合考虑。按前面所述，短路时EXB841各引脚波形如图3所示，可见一旦电路检测到短路后，要延时约1.5μs(VZ1导通时，R4会有压降)才开始降低VCE，再过约8μs后VCE才降低到0V(相对EXB841的1脚)。在这约10μs的时间内，如果短路现象消失，VCE会逐步恢复到正常值，但恢复时间决定于时间常数τ3，时间是较长的。
3. 值得注意的几个方面
根据以上分析，笔者认为有以下几个方面值得注意。
(1)EXB841只有1.5μs的延时，慢关断动作时间约8μs，与使用手册上标明的“对≤10μs的过电流不动作”是有区别的。
(2)由于便有1.5μs的延时，因此只要大于1.5μs的过流都会使慢关断电路工作。由于慢关断电路的放电时间常数τ2较小，充电时间常数τ3较大，后者是前者的10倍，因此慢关断电路一旦工作，即使短路现象很快消失，EXB841的3脚输出也难以很快达到+VCE=+15V的正常值。如果EXB841中的C4已放电至终值(3.6V)，则它被充电至20V的时间约为140μs，与本脉冲关断时刻相距140μs以内的所有后续脉冲正电平都不会达到+VCE=+15V，即慢关断不仅影响本脉冲，而且可能会影响后续好几个脉冲。
(3)由图7可知光耦IS01由+5V稳压管供电，这似乎简化了电路，但由于EXB841的1脚接在IGBT的E极。lGBT的开道和截止会造成其电位很大的跳动，可能会有浪浦电压尖峰和浪涌电流尖峰，这无疑对EXB841可靠运行不利。另外，从其PCB实际走线来看，光耦IS01的8脚到稳压管VZ2的走线很长，而且很靠近输出级(V4、V5)，易受干扰。
(4)IGBT开通和关断时，稳压管VZ2受浪涌电压和电流冲击，易损坏，另外，从其PCB实际走线上看，VZ2的限流电阻R10两端分别接在EXB841的1脚和2脚上，在实际电路调试时易被示波器探头等短路，从而损坏VZ2使EXB841不能继续使用。
4. 结果
在以上说明和分忻的基础上，笔者利用PSPICE软件包对EXB841做了计算机仿真，模拟了其慢关断情况，所得结果如图3所示。
图3 仿真结果 (a)3脚波形 图3 仿真结果 (b)4脚波形
图3 仿真结果 (c)5脚波形 图3 仿真结果 (d)延迟时间和慢关断过程
图3 仿真结果(e)短暂短路时3脚波形
另外，笔者在实际工作中也对EXB841的工作情况特别是慢关断时的工作情况作了测试、记录、结果如图4所示。
图4 实际测试结果
(a)3脚波形(5V/格，10μs/格)
(b)3脚和5脚波形(上：10V/格，下：5V/格，20μs/格)
(c)3脚和4脚波形(上：10V/格，下：5V/格，20μs/)
二者对照，仿真结果和实际情况完全一致，与前面的分析和说明完全一致。我们已在40kVA UPS和7kVA逆变器等装置中成功地应用EXB481驱动IGBT，获得满意效果。图5是具体应用电路。
图5 具体应用电路
5. 结论
通过计算机辅助分忻和实际运行和测试，说明本文提出的EXB841电原理图和原理分析是完全正确、合理的、这对EXB841及IGBT的进一步应用具有较大的参考价值。
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