基于OrCAD/Pspice的IGBT驱动器EXB841的改进与仿真

2015-12-29 00:43赵水英,孙旭霞,李生民

西北大学学报（自然科学版） 2015年1期

·数理科学·

赵水英1,孙旭霞2,李生民2

(1.宿州学院机械与电子工程学院,安徽宿州234000;2.西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048)

摘要：分析了IGBT专用驱动器EXB841的组成和触发工作原理，针对EXB841对过流故障信号不能锁存而导致IGBT损坏这一缺陷,设计了延时软关断电路加以改进,并通过OrCAD/PSpice软件进行了仿真原理图设计与仿真分析。仿真结果验证了延时软关断电路的正确性和可行性。改进后的电路已投入太阳能电源控制系统中使用,结果表明所设计的电路完善了EXB841的过流保护能力,具有良好的实用性。

关键词：IGBT; EXB841;过流保护;OrCAD/Pspice仿真

收稿日期：2014-02-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(81001622)；陕西省国际合作基金资助项目(2013KW31-01)；安徽省优秀青年人才基金重点资助项目(2013SQRL084ZD); 宿州学院科研基金资助项目(2012yyb06)

作者简介：赵水英，女，河南开封人，从事电力系统与测控技术研究。

中图分类号：TM492

The improvement and simulation of IGBT drivers

EXB841 based on the OrCAD/Pspice

ZHAO Shui-ying1, SUN Xu-xia2, LI Sheng-min2

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Suzhou University, Suzhou 234000, China;

2.Faculty of Automation and Information Engineering, Xi′an University of Technology, Xi′an 710048， China)

Abstract:Firstly, the composition and trigger principle of EXB841 that is a special driver for IGBT are analyzed. Secondly, in view of the defect that the signals of over current fault in the circuit can not be latched by EXB841, and it results that IGBT is damaged.A soft-switching circuit with delay is designed to improve EXB841, and the designer of schematic diagram and the circuits are simulated by OrCAD/PSpice software.The correctness and its feasibility of the delay Soft-Switching circuit are verified by the simulation results. Improved circuit has been used in the control system that is a solar-power control system.The results shows that the ability of over current protection of EXB841 is perfected by the designed circuit.Therefore, the improved circuit has value in practical application.

Key words: IGBT; EXB841; over current protection; OrCAD/Pspice simulation

绝缘栅双极晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是一种由GTR和电力MOSFET复合而成的半导体器件[1]。它综合了GTR和电力MOSFET两种器件的优点,即具有输入阻抗高、通态压降低、耐高电压和大电流等优点。因此,被广泛地应用于各种开关电源、变频器、电机控制等中大功率场合。

由于IGBT是全控型器件,其开通和关断过程完全依赖于外部驱动电路的驱动,故驱动电路性能[2]的好坏直接决定着IGBT能否正常工作。为了提高IGBT正常开通与关断的可靠性,目前大多数IGBT生产厂家都生产了与其相配套的混合集成驱动器,如日本富士的EXB系列、日本东芝的TK系列,美国摩托罗拉的MPD系列等。其中,日本富士公司的EXB841驱动IGBT应用最广泛。

尽管EXB841具有集成程度高、触发速度快、抗干扰能力强等优点,并且能够实现IGBT的最优驱动[3]。但是，EXB841没有过流故障锁存功能[4],外部过流发生时不能彻底保护IGBT和相关电路。尤其对于大功率的太阳能控制装置,当IGBT因故障过流时,尽管EXB841能够利用内部的过流检测电路输出故障指示信号,使IGBT瞬间关断，但因其对故障信号没有锁存功能,会使IGBT再次导通过流,直到IGBT被烧坏。针对这种情况,本文采用延时软关断电路对EXB841进行了改进。并借助于OrCAD/PSpice软件仿真，结果表明所设计延时软关断电路的正确性和有效性。另外,还将改进后的EXB841驱动器投入太阳能电源控制系统中进行了应用,其运行结果表明，IGBT不仅能够准确、快速、可靠地开通和关断,还有效地消除了因电路过流损坏IGBT的现象。同时,也对驱动器EXB841进行了保护。

1EXB841的组成与触发工作原理

1.1EXB841的组成

EXB841是一种触发IGBT延迟时间约为1μs,工作频率高达40～50kHz的专用高速型混合集成驱动器[5-6]。其内部结构如图1所示,主要由运放电路、过流保护电路和5V电压基准电路三大部分构成。运放电路是由光耦合器TLP550，V2，V4，V5和R1，C1，R2，R9组成,其中TLP550起隔离作用,V4和V5组成推挽输出电路;过流保护电路由晶体管V1，V3和稳压管VZ1以及阻容元件R3～R8，C2～C4组成,其功能是完成过流检测和保护功能,EXB841的脚6通过快速二极管VD7接至IGBT的集电极,它是通过检测UCE的高低来判断是否发生短路。另外,R10，VZ2和C5组成了5V电压基准电路,这样既为驱动IGBT提供-5V反偏电压,同时也为输入光耦合器TLP550提供电源。

图1　EXB841内部结构 Fig.1　The inside structure of EXB841

1.2触发IGBT开通过程

结合图1分析一下EXB841触发IGBT开通[7]的过程。若外部控制电路给EXB841输入端脚I4和脚I5注入10mA的电流后,光耦合器TLP550导通,使A点电位迅速下降到0V,晶体管V1和V2截止。由于晶体管V1截止使+20V电源通过R3向电容C2充电,充电时间常数

T1=R3×C2=2.42μs。

(1)

随着电容C2被充电使B点电位从零逐渐上升,理想情况下,它由零升到13V的时间可用式(2)求得,即所需时间为2.54 μs。

13=20(1-e-t/T1)，

(2)

t=2.54μs。

由于V2截止,+20V电压通过R9给V4基极提供电流,V4导通,V5截止,EXB841通过晶体管V4和IGBT栅极电阻RG向IGBT提供电流使之迅速开通,UCE下降至约3V。

然而,由于IGBT约1μs后已经导通,且UCE降到3V,故将EXB841的脚6电位箝位在8V左右。这样B点和C点电位不能充到13V,而是充到8V左右,此过程所需时间为1.24μs。又因为稳压管VZ1的稳压值为13V,故IGBT正常开通时不会被击穿,V3不通,E点电位仍为20V左右,二极管VD6截止,故不影响V4，V5正常工作。

1.3触发IGBT关断过程

若EXB841输入端脚I4和脚I5无电流通过时,光耦合器TLP550不导通,+20V电压通过R2给电容C1充电使A点电位上升,晶体管V1，V2导通。V2导通使V4截止,V5导通,IGBT通过V5将栅极电荷快速放掉,使EXB841的脚3电位迅速降到0V(相对于EXB841的脚1低5V),使IGBT可靠关断,UCE迅速上升,使EXB841的脚6“悬空”。与此同时,V1导通,C2通过V1更快放电,将B点和C点电位箝在0V,使VZ1仍不通,后续电路不会动作,IGBT正常关断。

1.4IGBT过流保护过程

如果IGBT已正常开通,V1，V2和V5处于截止状态,而V4处于导通状态,此时B，C点电位稳定在约8V。而且V3不导通,E点电位保持为20V。若此时电路突然使IGBT发生过流故障,由于流过IGBT的电流过大而使其退出饱和状态,UCE增大,且B点和C点电位开始由8V上升,当上升到13V时,稳压管VZ1被击穿,V3由截止变为导通,电容C4通过R7和V3进行放电,故E点电位逐渐降低。当二极管VD6导通时，D点电位也开始降低,则使EXB841的脚3电位下降,最终关断IGBT。

尽管当IGBT发生过流故障时,EXB841会在当前工作周期内能使IGBT关断进行保护[8-9]。但是,由于EXB841驱动电路中没有设置过流信号锁定功能,在接下来的工作周期内,IGBT会再次导通,然后再延时保护关断。只要过流故障没有消除,这个过程会一直持续下去,直至IGBT被烧坏。因此,针对这个问题,本文采用延时软关断法对EXB841过流保护电路加以改进,使其保护功能更加可靠、更加完善。

2延时软关断电路原理分析

由图1可知,EXB841内部设有过流检测功能,其功能是通过检测IGBT集射极间电压UCE的大小来判断电路是否发生过流现象[10]。由图1分析可得驱动器EXB841的6脚电压U6与UCE之间的关系为

U6=UCE+U7+UE，

(3)

式(3)中,U6表示驱动器EXB841的6脚电压,UCE表示IGBT导通时集射极之间的电压,U7表示快恢复二极管VD7导通时管压降,UE表示IGBT的射极电位。由于IGBT的射极E与EXB841的-5V反偏压信号脚1相连,故UE=5V。当发生过流故障时,U6=13V,由式(3)可得

UCE=U6-U7-UE=7.5V，

(4)

也就是,当集射极之间的电压UCE上升到7.5V左右时,EXB841才认为电路发生了过流故障,使得图1中D点电位下降,进而关断IGBT。然而,IGBT正常导通时其管压降UCE约为3V,当UCE升高至7.5V时,实际上IGBT已经严重发生了过流故障,即使此时关断了IGBT,有很大可能IGBT已经被烧坏。而且EXB841内部没有对输入信号锁存的功能,故驱动器EXB841也会因过流而损坏。

为了避免上述情况的发生,设计了专门的延时软关断[11]电路进行保护,其原理图如图2所示。其功能是当电路过流发生时,通过EXB841管脚5将过流信号送给外部延时软关断电路,保护电路动作后,又通过EXB841管脚4输出信号把IGBT栅极电压切断,进而使IGBT进入阻断状态,达到保护器件和电路的目的。具体分析过程:如果电路中突然发生过流故障,EXB841内部结构(图1)中VZ1被击穿使V3导通,进而使EXB841引脚5输出电压约为0V。在此基础上,由图2可知二极管D35导通,D24和V8截止,+20V直流电源通过R23给电容C10充电,则使V8集电极电位上升。当V8集电极电位上升到15.9V后X12导通,+20V电源通过R25为X12提供维持电流,EXB841的4脚和图1中E点被钳位,也就是,使图1中D点被钳位,使EXB841内部晶体管V4截止,V5导通,IGBT栅极电压约为0V,进而使IGBT无法再次开通,强迫使用者必须关机排除故障。

图1中的C4和图2中的R26的参数大小决定软关断下降的斜率。改变图2中R23，C10和D31的参数大小可以调整软关断保护动作的延迟时间。

其中,C10通过R23充电实现延时,C10和R23组成的充电时间常数T2大小由式(5)计算得出,即延时时间为

T2=C10×R23=4.62μs，

(5)

而且V8集电极电位由0.97V上升到15.9V的时间t可用式(6)求得,其充电时间为

15.9=20(1-e-t/T2)+0.97e-t/T2，

(6)

t=7.09μs。

图2　延时软关断电路原理图 Fig.2　The schematic diagram of Soft-Switching circuit with delay

3改进后IGBT驱动电路的仿真研究

由于OrCAD/PSpice 具有人机界面良好、数据处理能力强、模拟仿真功能完善等优点,因此,IGBT驱动电路的仿真研究借助于该软件实现。

3.1改进后IGBT驱动电路仿真原理图设计

根据太阳能控制器逆变电路的需求分析[12～15],进行了优化后IGBT专用驱动电路EXB841仿真原理图设计。仿真元件的选择:IGBT选用大功率IGBT CM50DY-12H(600V/50A/2U)、续流二极管选用D1N5406，三极管选用Q2N2222和Q2N2604等。为了实现电路的仿真,仿真时把EXB841的内部电路和外部电路结合绘出,在IGBT两端加有200V的直流电源,驱动电路的电源为20V。加上延时软关断保护电路,就得到了改进后的IGBT驱动电路仿真原理图,如图3所示。在软关断保护电路中,应用了两个光耦合器U2和U3,分别用于提供慢关断报警和软关断报警。在实际应用中这两个光耦合器均接发光二极管,而仿真电路中用电阻代替,用电压波形的变化显示报警信号。

图3　改进后IGBT驱动电路仿真原理图 Fig.3　Schematic diagram of improved IGBT driver for simulation

3.2改进后IGBT驱动电路仿真分析

在改进后IGBT驱动电路仿真原理图3设计的基础上,进行了仿真,仿真结果如图4和图5所示。图4为IGBT栅压仿真波形图,图5为降栅压报警和软关断报警仿真波形图。由图4可以看出,只要IGBT不发生过流,软关断电路就不起作用;一旦IGBT发生过流,软关断电路启动,箝制图3中D点电位至2.1V,IGBT将不能再次导通,这样就避免了因重复持续过流而导致IGBT损坏的现象,因此,达到了保护IGBT和EXB841的目的。

图4　IGBT栅压仿真波形图 Fig.4　The simulation oscillogram of IGBT gate-voltage

图5　降栅压报警和软关断报警仿真波形图 Fig.5　The simulation oscillogram of alarms for decreased gate-voltage and soft-switching

4结语

本文简单介绍了IGBT专用驱动器EXB841的内部结构和基本工作原理,结合实际应用指出了其过流保护功能不足之处,并设计了延时软关断电路对EXB841进行了优化。然后,应用OrCAD/PSpice仿真软件对EXB841触发IGBT工作过程和优化后的EXB841驱动电路进行了仿真设计和研究。仿真结果表明,延时软关断电路的正确性和可应用性。此外,改进后的EXB841驱动电路已成功应用于大功率太阳能电源控制系统中,系统运行结果验证了该电路的过流保护动作的快速性和有效性,提高了EXB841驱动IGBT的准确性和可靠性。

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