中心議題：

• IGBT對驅動電路的要求
• 驅動芯片EXB841的控製原理
• 驅動電路優化設計

解決方案：

• 基於EXB841的IGBT驅動與保護電路設計方案
• 采用串聯3.3V反向穩壓二極管的方法

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的柵極電壓控製快速開關特性，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用。但是，IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態壓降
、開關時間、快開關損耗、承受短路電流能力及du/dt等參數


，並決定了IGBT靜態與動態特性。因此設計高性能的驅動與保護電路是安全使用IGBT的關鍵技術。

2 IGBT對驅動電路的要求

（1）觸發脈衝要具有足夠快的上升和下降速度，即脈衝前後沿要陡峭；
   
（2）柵極串連電阻Rg要恰當。Rg過小，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大
； 
   
（3）柵(zha)射(she)電(dian)壓(ya)要(yao)適(shi)當(dang)。增(zeng)大(da)柵(zha)射(she)正(zheng)偏(pian)壓(ya)對(dui)減(jian)小(xiao)開(kai)通(tong)損(sun)耗(hao)和(he)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)有(you)利(li)，但(dan)也(ye)會(hui)使(shi)管(guan)子(zi)承(cheng)受(shou)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)的(de)時(shi)間(jian)變(bian)短(duan)
，續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)過(guo)電(dian)壓(ya)增(zeng)大(da)。因(yin)此(ci)，正(zheng)偏(pian)壓(ya)要(yao)適(shi)當(dang)
，通(tong)常(chang)為(wei)+15V。為了保證在C-E間出現dv/dt噪聲時可靠關斷
，關斷時必須在柵極施加負偏壓，以防止受到幹擾時誤開通和加快關斷速度，減小關斷損耗
，幅值一般為-（5～10）V
； 
   
（4）當IGBT處於負載短路或過流狀態時，能在IGBT允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑製故障電流
，實現IGBT的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。

當然驅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、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，是一種比較典型的驅動電路。其功能比較完善，在國內外得到了廣泛。

3 驅動芯片EXB841的控製原理
 

圖 1 EXB841的工作原理

圖1為EXB841的驅動原理[4,5]。其主要有三個工作過程：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控製信號，當觸發脈衝信號施加於14和15引腳時
，在GE兩端產生約16V的IGBT開通電壓；當觸發控製脈衝撤銷時，在GE兩端產生-5.1V的IGBT關斷電壓。過流保護動作過程是根據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IGBT開通時，若發生負載短路等發生大電流的故障，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


，當上升至13V時，Vz1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Uce下降
，實現軟關斷
，完成EXB841對IGBT的保護。射極電位為-5.1V，由EXB841內部的穩壓二極管Vz2決定。

作為IGBT的專用驅動芯片，EXB841有you著zhe很hen多duo優you點dian
，能neng夠gou滿man足zu一yi般ban用yong戶hu的de要yao求qiu。但dan在zai大da功gong率lv高gao壓ya高gao頻pin脈mai衝chong電dian源yuan等deng具ju有you較jiao大da電dian磁ci幹gan擾rao的de全quan橋qiao逆ni變bian應ying用yong中zhong，其qi不bu足zu之zhi處chu也ye顯xian而er易yi見jian。
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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通壓降Uce約為3.5V，而EXB841的過流識別值為7.5V左右，對應電流為額定電流的2～3倍
，此時IGBT已嚴重過流。

（2）存在虛假過流。一般大功率IGBT的導通時間約為1μs左右。實際上，IGBT導通時尾部電壓下降是較慢的。實踐表明
，當工作電壓較高時，Uce下降至飽和導通時間約為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遲5μs，以便保護電路對真正的過流進行保護。

（3）負偏壓不足。EXB841使用單一的20V電源產生+15V和-5V偏壓。在高電壓大電流條件下，開關管通斷會產生幹擾，使截止的IGBT誤導通。

（4）過流保護無自鎖功能。在過流保護時，EXB841對IGBT進行軟關斷，並在5腳輸出故障指示信號，但不能封鎖輸入的PWM控製信號。

（5）無報警電路。在係統應用中
，IGBT發生故障時

，不能顯示故障信息，不便於操作。
       
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。以下結合實際設計應用的具體電路加以說明。

4 驅動電路優化設計

本文基於EXB841設計IGBT的驅動電路如圖2所示，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驅動信號鎖存電路
，故障信息報警電路.
   
⑴ 外部負柵壓成型電路

針對負偏壓不足的問題
，設計了外部負柵壓成型電路。
 

如圖2所示，用外接8V穩壓管Vw1代替驅動芯片內部的穩壓管Vz2，在穩壓管兩端並聯了兩個電容值分別為105μf和0.33μf的去耦濾波電容。為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰
，在柵射極間並聯了反向串聯的16V（V02）和8V（V03）穩壓二極管。為了改善控製脈衝的前後沿陡度和防止震蕩，減小IGBT 集電極的電壓尖脈衝，需要在柵極串聯電阻Rg。柵極串連電阻Rg要恰當，Rg過小，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大。優化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+16V的電壓，電阻Rg2經二極管Vd1和Rg1並聯使Rg值較小。關斷時
，EXB841內部的V5導通，3腳電平為0
，優化驅動電路在IGBT的E極提供-8V電壓，使二極管V01截止，Rg= Rg1具有較大值。並在柵射極間並聯大電阻，防止器件誤導通。

 ⑵ 過流檢測電路

偏(pian)高(gao)的(de)保(bao)護(hu)動(dong)作(zuo)閾(yu)值(zhi)難(nan)起(qi)到(dao)有(you)效(xiao)地(di)保(bao)護(hu)作(zuo)用(yong)，必(bi)須(xu)合(he)適(shi)設(she)置(zhi)此(ci)閾(yu)值(zhi)。但(dan)由(you)於(yu)器(qi)件(jian)壓(ya)降(jiang)的(de)分(fen)散(san)性(xing)和(he)溫(wen)度(du)影(ying)響(xiang)
，又(you)不(bu)宜(yi)設(she)置(zhi)過(guo)低(di)。為(wei)了(le)適(shi)當(dang)降(jiang)低(di)動(dong)作(zuo)閾(yu)值(zhi)，已(yi)經(jing)提(ti)出(chu)了(le)采(cai)用(yong)高(gao)壓(ya)降(jiang)檢(jian)測(ce)二(er)極(ji)管(guan)或(huo)采(cai)用(yong)串(chuan)聯(lian)3.3V反向穩壓二極管的方法。該方法不能在提高了負偏壓的情況下使用，因為正常導通時
，IGBT約有3.5V左右的壓降，負偏壓的提高使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

，強電磁幹擾會造成EXB841誤報警，出現虛假過流。本優化電路采用可調的電流傳感器。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

，反應時間小於1μs，輸出電壓Uout同輸入電流有很好的線性關係。該電路通過調節滑動電阻Rw1設定基準電流幅值而完成保護

，當電流傳感器輸出大於給定值時，比較器輸出+15V的高電平至EXB841的6腳
，使EXB841的軟關斷電路工作。

⑶ 虛假過流故障識別與驅動信號鎖存電路

當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生，EXB841進入軟關斷過程。內部電路（C3,R6）產生約3μs的延時，若3μs後過流依然存在，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輸出持續高電平時間大於設定保護時間（一般為5μs），C03的電壓達到擊穿穩壓管Vs03的電壓，使RS觸發器CD4043的置1端為高電平
，從而Q端輸出高電平，Vs02導通
，集電極輸出低電平，利用由74LS09構成的與門封鎖輸入驅動信號。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上足夠快。圖2中，在RS觸發器的R端加了複位按鈕，發生故障時
，RS觸發器將Q端輸出的高電平鎖住
，當排除故障後

，可以按動複位按鈕，接束對柵極控製信號的封鎖。

Vs02的集電極輸出同時接微處理器，可及時顯示故障信息，實現故障報警。EXB841的軟關斷時間是由內部元件R7和C4的時間常數決定的
，為了提高軟開關的可靠性，在EXB841的4和5兩端外加可調電阻Rw2
，可調節軟關斷時間
，在4和9腳兩端外加電容 C01，可避免過高的di/dt產生的電壓尖峰
，但應合理選擇二者的值
，太大的值將增大內部三極管V3的集電極電流。
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5 實驗結果分析
 

 圖3為實測典型驅動電路驅動波形，圖4為實測優化驅動電路波形。通過兩圖的對比
，不難看出，典型驅動電路的反向關斷電壓不到-5V
，正向驅動電壓小於14.5V。而優化驅動電路的反偏壓則基本達到或接近於-8V，正向驅動電壓更是超過了+15V
，正反向驅動電壓值得到調整的同時，前後沿陡度也得到極大改善。

原EXB841典型驅動電路應用到大功率高壓高頻脈衝電源中，電源逆變部分由於負偏壓不足，容易引起橋臂直通，導致IGBT經常炸毀。又因為高頻造成的強電磁幹擾，致使IGBT電dian流liu較jiao小xiao時shi就jiu產chan生sheng虛xu假jia過guo流liu的de故gu障zhang保bao護hu，使shi得de設she備bei無wu法fa正zheng常chang運yun行xing。優you化hua電dian路lu應ying用yong到dao電dian源yuan後hou
，以yi上shang故gu障zhang均jun得de以yi很hen大da程cheng度du上shang的de消xiao除chu。能neng夠gou滿man足zu設she備bei正zheng常chang工gong作zuo的de要yao求qiu。

6 結論

本文在對IGBT器件的驅動要求進行深入分析之後
，在研究了EXB841驅(qu)動(dong)原(yuan)理(li)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)
，指(zhi)出(chu)了(le)其(qi)存(cun)在(zai)的(de)諸(zhu)多(duo)不(bu)足(zu)。再(zai)結(jie)合(he)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)設(she)計(ji)了(le)實(shi)用(yong)性(xing)較(jiao)強(qiang)的(de)優(you)化(hua)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)。該(gai)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)較(jiao)強(qiang)的(de)過(guo)流(liu)識(shi)別(bie)能(neng)力(li)，並(bing)能(neng)夠(gou)區(qu)分(fen)真(zhen)假(jia)過(guo)流(liu)
，從(cong)而(er)對(dui)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)保(bao)護(hu)。將(jiang)優(you)化(hua)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)應(ying)用(yong)於(yu)大(da)功(gong)率(lv)高(gao)壓(ya)高(gao)頻(pin)脈(mai)衝(chong)電(dian)源(yuan)中(zhong)，證(zheng)明(ming)了(le)所(suo)設(she)計(ji)的(de)電(dian)路(lu)完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)對(dui)IGBT進行有效驅動、控製和過流保護。