EXB841的自身保护及驱动电压的调整

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：ThepaperpointsoutbymeansofanalysisseveraloccasionsthatitispossibleforEXB841toproduceoverheatandovercurrent,andgivesseveralself-protectionmethodsforEXB841;Furthermore,acircuitthatcanadjustdrivevoltagevalueforIGBThasbeenpresented.Keywords：drivecircuit;overcurrent;overheat;drivevoltage▲1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300A／1200V、400A／600VIGBT)。现有资料大多将重点放在如何对功率器件IGBT进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1EXB系列应用IGBT驱动600VIGBT驱动1000VIGBT150A400A75A300A标准型(＜10kHz)EXB850EXB851EXB850EXB851高速型(＜40kHz)EXB840EXB841EXB840EXB841容量小容量大容量小容量大容量输出偏置电流(2us)1.5A4.0A1.5A4.0A2EXB841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(220Ω)，仅为V1、V2集电极限流电阻(2.2kΩ)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1EXB841的内部接线图3IGBT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。4IGBT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。5.1RG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。5.2EXB841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，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1～4A的保险，随占空比与频率的增加，应适当减小保险管容量。图2EXB841输出正向偏压的等效电路图3EXB841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5.1kΩ，稳压管两端并联电容为0.33μF。这样IGBT所获得的反向关断电压则为(－7V)，正向驱动电压为13V(20V－7V)，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)RG＝10Ω(b)RG＝110Ω图4RG对驱动电压与电流影响的波形图8结论8.1EXB841内部极易损坏的是输出极：功放管V4、V5及稳压管VZ2、其中VZ2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(1A～4A)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)