1、EXB841 的自身保护及驱动电压的调整【关键词】驱动电路,过流,过热,驱动电压【论文摘要】分析指出了 EXB841 自身可能出现过热、过流的几种场合，给出了对 EXB841 自身进行保护的措施；另外，还给出了一种可对 IGBT 的驱动电压进行幅值调整的电路。Abstract：The paper points out by means of analysis several occasions that it is possible for EXB841 to produce overheat and overcurrent,and gives several self-protection
2、methods for EXB841;Furthermore,a circuit that can adjust drive voltage value for IGBT has been presented.Key words：drive circuit;overcurrent;overheat;drive voltage1 前言EXB 系列混合集成电路是日本富士公司生产的 IGBT 专用驱动芯片，表 1 为其应用范围的概要说明，其中 EXB841 最为适于驱动大容量、高速 IGBT(如 300A1200V、 400A600V IGBT) 。现有资料大多将重点放在如何对功率器件 IGBT 进
3、行过流保护的试验研究上，但在实际使用中不仅功率器件 IGBT 会出现过流情况，EXB841 等驱动芯片本身也会因种种原因造成过流而烧坏。本文将对驱动芯片自身的过流及过热情况进行分析，并给出此时对驱动芯片自身进行保护的措施。另外，还介绍了一种可调整由 EXB841 输出加至 IGBT 的正、反向驱动电压的电路。表 1 EXB 系列应用驱动 600V IGBT 驱动 1000V IGBTIGBT150A 400A 75A 300A标准型(10kHz) EXB850 EXB851 EXB850 EXB851高速型(40kHz) EXB840 EXB841 EXB840 EXB841容量 小容量 大容
4、量 小容量 大容量输出偏置电流(2us) 1.5A 4.0A 1.5A 4.0A2 EXB841 的 6 脚“悬空” 引起过热的分析 图 1 为 EXB841 的内部接线图1。若 EXB841 的 6 脚所在支路脚出现“虚焊”或 6 脚所接快速二极管出现断路形式的损坏等情况，都会造成 6 脚处于悬空的状态。当来自 PWM 控制电路的信号不能使光耦导通时，A 点电位上升为高电平，三极管 V1、V2 饱和导通，使 D、Q 点变为低电位，V5 导通，V3截止，来自与稳压管 VZ2 并联的电容 C5 的电流经 RG、V5 迅速对 IGBT 栅射极的等效电容 CGE 充电，使栅射极的电压 VGE 迅速变
5、为 (5V)，关断 IGBT。EXB841 的 6 脚悬空与否，对上述关断过程中EXB841 的关断动作无影响。但当来自 PWM 控制电路的信号使光耦导通时，A 点变为低电平，V1、V2截止，D 点变为高电平，EXB841 输出开通驱动脉冲，而 Q 点的电位取决于 6 脚的状态。若 V7 工作正常时，则有一电流自 B 点经 R4、R5 、V7、IGBT 的集电极、发射极、稳压管 VZ2 至驱动电路的地，设IGBT 的导通压降为 3V，VZ2 的稳压值为 5V，此时 Q 点则被钳位于 8V，稳压管 VZ1(稳压值为 13V)不会导通，V3 截止，C4 不会通过 V3 放电。若 6 脚因种种原因出
6、现悬空时，则 Q 点电位会因 C2 充电电压的上升超过 13V，C4 会通过饱和导通的 V3 放电。值得注意的是，C4 通过 V3 放电的限流电阻 R7 阻值较小(220)，仅为 V1、V2 集电极限流电阻(2.2k)的十分之一，这样流过 V3 的电流很大(峰值电流约为100mA)，常时间这样工作，V3 的发热将变严重。更为严重的是一旦 V3 因发热而烧坏，EXB841 则彻底失去对 IGBT 过流保护的慢关断功能 (C4 无放电回路，E 点电位不能降低)。即使 6 脚外围电路恢复正常，也无法恢复 EXB841 对 IGBT 过流保护的慢关断功能。图 1 EXB841 的内部接线图3 IGBT
7、 的栅射极出现电击穿或短路引起过流的分析由于 IGBT 的栅射极与普通的 MOS 型器件相同，属于电场控制的绝缘式输入级，这样有可能与普通 MOS 管相似，在过高的栅极电压(或干扰脉冲电压) 的作用下，出现栅射极被击穿的故障。另外，在调试中若不慎由于示波器探头等物品会造成 3 脚和 1 脚短路。出现上述情况时，EXB841 的输出电流剧增，将会烧坏输出级的 V4、V5、VZ2。而在输出级流过同样电流的 V4、VZ2 中(正向充电)，由于它们的导通压降相差很大(V4 导通压降为 0.3V，而 VZ2 的导通压降为 5V)，功耗也相差较大，这样 VZ2 将先于 V4而烧坏。VZ2 烧坏后，C5 上
8、电压将充至 VCC，V4 将不能导通，自然无法驱动 IGBT 导通。笔者在实验中曾发生过 V4 与 VZ2 同时烧坏的情况。4 IGBT 容量过大引起的过热当 IGBT 容量过大时，其栅 射极的等效电容 CGE 相应变大，EXB841 对 CGE 的正反向充电电流瞬时值增大，动态充电过程有所变长。另外 IGBT 的容量对 RG 的选择有较大的影响，进而也对 EXB841 的发热会产生影响，详见下述分析。5 驱动电路参数对过热的影响图 2 为 EXB841 输出正向偏压的等效电路图(CGE 的初值为5V 的反偏电压) ；图 3 为 EXB841 输出反向偏压的等效电路图(CGE 的初值为 15V
9、 的正偏电压) ；图 4 为栅极限流电阻 RG 对驱动电压与驱动电流影响的波形图。5.1 RG 对过热的影响由图 2、图 3、图 4 可知，RG 对动态充电过程中，流过 V4、V5、VZ2 的电流有很大影响，RG 减少，动态充电电流瞬时值增大。对大容量的 IGBT，为提高效率、减小 IGBT 的开关损耗，要求开关过程的时间相应要短一些，为此要求 RG 要小一些，以减小充电回路的时间常数，这样造成 EXB841 输出的动态充电电流瞬时值增大，会引起 V4、V5 及稳压管 VZ2 的发热。故应综合考虑。5.2 EXB841 供电电压 VCC 对过热的影响由图 2、图 3 的原理图可知，VCC 过大
10、，必使由 EXB841 输出的正反向浪涌充电的电流的瞬时值增大，会引起 V4、V5 及 VZ2 发热。但 VCC 过小会造成 VGE 过小，引起导通压降增加，极端情况 VGE 甚至小于 NMOS 的开启电压，IGBT 不能导通。5.3 开关频率 f 对过热的影响由图 4 可知，由 EXB841 输出的驱动电流具有典型的“浪涌” 特征。开关频率过高，会使单位时间内三极管 V4、V5 及稳压管 VZ2 通过浪涌电流的总时间变长，引起 V4、V5 及稳压管 VZ2 的发热。f 过高也会引起 IGBT 的开关损耗的增加。同理，在由 V4、V5、VZ2 构成的输出级，因稳压管 VZ2 导通压降大，故最易
11、烧坏。6 对 EXB841 输出过流的保护EXB841 的供电电压过大、栅极限流电阻 RG 过小、工作频率过高、IGBT 容量过大都会引起 EXB841的过热。合理选择电路参数与工作参数及所驱动的 IGBT 的容量对于防止 EXB841 过热损坏是重要的手段之一。对于如输出端短路、RG 过小、供电电压过大这类易引起严重过流的情况，可在 VCC 与EXB841 的 2 脚间加一保险管，以防止因输出严重过流而烧坏 EXB841，这同时也为检修提供了方便。根据厂家提供的正反向偏置输出电流的最大额定值可选 14A 的保险，随占空比与频率的增加，应适当减小保险管容量。图 2 EXB841 输出正向偏压的
12、等效电路 图 3 EXB841 输出反向偏压的等效电路7 驱动电压的调整IGBT 栅射极的驱动电压大小对于其通态压降、容许短路时间、开关过程的时间长短及开关损耗、集电极尖峰电压等都有显著的影响，常常需根据不同的应用场合对 IGBT 的驱动电压作出积极的调整。一种比较简单的办法是断开 EXB841 的 1 脚与 IGBT 射极 E 间的连线，用外接的稳压管代替 EXB841内部的稳压管 VZ2，此时应注意：稳压管两端应并有电容；稳压管所在支路的限流电阻应根据稳压管的稳压值作适当调整。实验中选用了 1N4737A502A 稳压管，稳压值为 7V，限流电阻 5.1k，稳压管两端并联电容为 0.33F
13、。这样 IGBT 所获得的反向关断电压则为(7V) ，正向驱动电压为13V(20V7V) ，正反向偏置电压同时到了调整，且波形呈规则的矩形波。实验中还发现了若稳压管两端未并接电容，则正向驱动电压上升沿仍然很陡，而由正向驱动电压向反向关断电压切换时，先有一很陡的快速下降过程，接近 0V 时，经过相当缓慢的过渡过程才达到稳态反向关断电压。这是由于反向充电时间常数过大引起的，依上述指出的注意事项接线，则能得到理想的驱动电压波形。(a)RG10 (b)RG110图 4 RG 对驱动电压与电流影响的波形图8 结论8.1 EXB841 内部极易损坏的是输出极：功放管 V4、V5 及稳压管 VZ2、其中 V
14、Z2 因导通压降高于V4、V5 的饱和导通压降，故最易烧坏。8.2 当 EXB841 的供电电压过大、栅极限流电阻 RG 过小、工作频率过高、IGBT 容量过大、6 脚常时间悬空、输出端有电击穿或短路时，均会引起 EXB841 内部发热。可在 VCC 与 EXB841 的 2 脚间加一(1A4A)保险管，以防止因输出端严重过流而烧坏 EXB841 的输出级。8.3 断开 EXB841 的 1 脚与 IGBT 射极间的连线，用外接的稳压管代替 EXB841 内部的稳压管 VZ2，即可达同时调整 IGBT 正反向偏置电压的目的。此时应注意：稳压管两端应并有电容；稳压管所在支路的限流电阻应根据稳压管的稳压值作适当调整。作者单位：张贵锋(西安交通大学焊接研究所，西安， 710049)李永兵(西安交通大学焊接研究所，西安， 710049)王士元(西安交通大学焊接研究所，西安， 710049)参考文献：1张青，康勇，陈坚.IGBT 驱动模块 EXB841 剖析.电气传动J，1994，(4)
