·數(shù)理科學(xué)·

基于OrCAD/Pspice的IGBT驅(qū)動(dòng)器EXB841的改進(jìn)與仿真

趙水英1,孫旭霞2,李生民2

(1.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院,安徽 宿州234000;2.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,陜西 西安710048)

摘要：分析了IGBT專用驅(qū)動(dòng)器EXB841的組成和觸發(fā)工作原理，針對(duì)EXB841對(duì)過流故障信號(hào)不能鎖存而導(dǎo)致IGBT損壞這一缺陷,設(shè)計(jì)了延時(shí)軟關(guān)斷電路加以改進(jìn),并通過OrCAD/PSpice軟件進(jìn)行了仿真原理圖設(shè)計(jì)與仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了延時(shí)軟關(guān)斷電路的正確性和可行性。改進(jìn)后的電路已投入太陽(yáng)能電源控制系統(tǒng)中使用,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路完善了EXB841的過流保護(hù)能力,具有良好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：IGBT; EXB841;過流保護(hù);OrCAD/Pspice仿真

收稿日期：2014-02-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81001622)；陜西省國(guó)際合作基金資助項(xiàng)目(2013KW31-01)；安徽省優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013SQRL084ZD); 宿州學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(2012yyb06)

作者簡(jiǎn)介：趙水英，女，河南開封人，從事電力系統(tǒng)與測(cè)控技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：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

絕緣柵雙極晶體管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是一種由GTR和電力MOSFET復(fù)合而成的半導(dǎo)體器件[1]。它綜合了GTR和電力MOSFET兩種器件的優(yōu)點(diǎn),即具有輸入阻抗高、通態(tài)壓降低、耐高電壓和大電流等優(yōu)點(diǎn)。因此,被廣泛地應(yīng)用于各種開關(guān)電源、變頻器、電機(jī)控制等中大功率場(chǎng)合。

由于IGBT是全控型器件,其開通和關(guān)斷過程完全依賴于外部驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng),故驅(qū)動(dòng)電路性能[2]的好壞直接決定著IGBT能否正常工作。為了提高IGBT正常開通與關(guān)斷的可靠性,目前大多數(shù)IGBT生產(chǎn)廠家都生產(chǎn)了與其相配套的混合集成驅(qū)動(dòng)器,如日本富士的EXB系列、日本東芝的TK系列,美國(guó)摩托羅拉的MPD系列等。其中,日本富士公司的EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT應(yīng)用最廣泛。

盡管EXB841具有集成程度高、觸發(fā)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),并且能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)[3]。但是，EXB841沒有過流故障鎖存功能[4],外部過流發(fā)生時(shí)不能徹底保護(hù)IGBT和相關(guān)電路。尤其對(duì)于大功率的太陽(yáng)能控制裝置,當(dāng)IGBT因故障過流時(shí),盡管EXB841能夠利用內(nèi)部的過流檢測(cè)電路輸出故障指示信號(hào),使IGBT瞬間關(guān)斷，但因其對(duì)故障信號(hào)沒有鎖存功能,會(huì)使IGBT再次導(dǎo)通過流,直到IGBT被燒壞。針對(duì)這種情況,本文采用延時(shí)軟關(guān)斷電路對(duì)EXB841進(jìn)行了改進(jìn)。并借助于OrCAD/PSpice軟件仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)延時(shí)軟關(guān)斷電路的正確性和有效性。另外,還將改進(jìn)后的EXB841驅(qū)動(dòng)器投入太陽(yáng)能電源控制系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用,其運(yùn)行結(jié)果表明，IGBT不僅能夠準(zhǔn)確、快速、可靠地開通和關(guān)斷,還有效地消除了因電路過流損壞IGBT的現(xiàn)象。同時(shí),也對(duì)驅(qū)動(dòng)器EXB841進(jìn)行了保護(hù)。

1EXB841的組成與觸發(fā)工作原理

1.1EXB841的組成

EXB841是一種觸發(fā)IGBT延遲時(shí)間約為1μs,工作頻率高達(dá)40～50kHz的專用高速型混合集成驅(qū)動(dòng)器[5-6]。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由運(yùn)放電路、過流保護(hù)電路和5V電壓基準(zhǔn)電路三大部分構(gòu)成。運(yùn)放電路是由光耦合器TLP550，V2，V4，V5和R1，C1，R2，R9組成,其中TLP550起隔離作用,V4和V5組成推挽輸出電路;過流保護(hù)電路由晶體管V1，V3和穩(wěn)壓管VZ1以及阻容元件R3～R8，C2～C4組成,其功能是完成過流檢測(cè)和保護(hù)功能,EXB841的腳6通過快速二極管VD7接至IGBT的集電極,它是通過檢測(cè)UCE的高低來判斷是否發(fā)生短路。另外,R10，VZ2和C5組成了5V電壓基準(zhǔn)電路,這樣既為驅(qū)動(dòng)IGBT提供-5V反偏電壓,同時(shí)也為輸入光耦合器TLP550提供電源。

圖1　EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu) Fig.1　The inside structure of EXB841

1.2觸發(fā)IGBT開通過程

結(jié)合圖1分析一下EXB841觸發(fā)IGBT開通[7]的過程。若外部控制電路給EXB841輸入端腳I4和腳I5注入10mA的電流后,光耦合器TLP550導(dǎo)通,使A點(diǎn)電位迅速下降到0V,晶體管V1和V2截止。由于晶體管V1截止使+20V電源通過R3向電容C2充電,充電時(shí)間常數(shù)

T1=R3×C2=2.42μs。

(1)

隨著電容C2被充電使B點(diǎn)電位從零逐漸上升,理想情況下,它由零升到13V的時(shí)間可用式(2)求得,即所需時(shí)間為2.54 μs。

13=20(1-e-t/T1)，

(2)

t=2.54μs。

由于V2截止,+20V電壓通過R9給V4基極提供電流,V4導(dǎo)通,V5截止,EXB841通過晶體管V4和IGBT柵極電阻RG向IGBT提供電流使之迅速開通,UCE下降至約3V。

然而,由于IGBT約1μs后已經(jīng)導(dǎo)通,且UCE降到3V,故將EXB841的腳6電位箝位在8V左右。這樣B點(diǎn)和C點(diǎn)電位不能充到13V,而是充到8V左右,此過程所需時(shí)間為1.24μs。又因?yàn)榉€(wěn)壓管VZ1的穩(wěn)壓值為13V,故IGBT正常開通時(shí)不會(huì)被擊穿,V3不通,E點(diǎn)電位仍為20V左右,二極管VD6截止,故不影響V4，V5正常工作。

1.3觸發(fā)IGBT關(guān)斷過程

若EXB841輸入端腳I4和腳I5無電流通過時(shí),光耦合器TLP550不導(dǎo)通,+20V電壓通過R2給電容C1充電使A點(diǎn)電位上升,晶體管V1，V2導(dǎo)通。V2導(dǎo)通使V4截止,V5導(dǎo)通,IGBT通過V5將柵極電荷快速放掉,使EXB841的腳3電位迅速降到0V(相對(duì)于EXB841的腳1低5V),使IGBT可靠關(guān)斷,UCE迅速上升,使EXB841的腳6“懸空”。與此同時(shí),V1導(dǎo)通,C2通過V1更快放電,將B點(diǎn)和C點(diǎn)電位箝在0V,使VZ1仍不通,后續(xù)電路不會(huì)動(dòng)作,IGBT正常關(guān)斷。

1.4IGBT過流保護(hù)過程

如果IGBT已正常開通,V1，V2和V5處于截止?fàn)顟B(tài),而V4處于導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)B，C點(diǎn)電位穩(wěn)定在約8V。而且V3不導(dǎo)通,E點(diǎn)電位保持為20V。若此時(shí)電路突然使IGBT發(fā)生過流故障,由于流過IGBT的電流過大而使其退出飽和狀態(tài),UCE增大,且B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開始由8V上升,當(dāng)上升到13V時(shí),穩(wěn)壓管VZ1被擊穿,V3由截止變?yōu)閷?dǎo)通,電容C4通過R7和V3進(jìn)行放電,故E點(diǎn)電位逐漸降低。當(dāng)二極管VD6導(dǎo)通時(shí)，D點(diǎn)電位也開始降低,則使EXB841的腳3電位下降,最終關(guān)斷IGBT。

盡管當(dāng)IGBT發(fā)生過流故障時(shí),EXB841會(huì)在當(dāng)前工作周期內(nèi)能使IGBT關(guān)斷進(jìn)行保護(hù)[8-9]。但是,由于EXB841驅(qū)動(dòng)電路中沒有設(shè)置過流信號(hào)鎖定功能,在接下來的工作周期內(nèi),IGBT會(huì)再次導(dǎo)通,然后再延時(shí)保護(hù)關(guān)斷。只要過流故障沒有消除,這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)下去,直至IGBT被燒壞。因此,針對(duì)這個(gè)問題,本文采用延時(shí)軟關(guān)斷法對(duì)EXB841過流保護(hù)電路加以改進(jìn),使其保護(hù)功能更加可靠、更加完善。

2延時(shí)軟關(guān)斷電路原理分析

由圖1可知,EXB841內(nèi)部設(shè)有過流檢測(cè)功能,其功能是通過檢測(cè)IGBT集射極間電壓UCE的大小來判斷電路是否發(fā)生過流現(xiàn)象[10]。由圖1分析可得驅(qū)動(dòng)器EXB841的6腳電壓U6與UCE之間的關(guān)系為

U6=UCE+U7+UE，

(3)

式(3)中,U6表示驅(qū)動(dòng)器EXB841的6腳電壓,UCE表示IGBT導(dǎo)通時(shí)集射極之間的電壓,U7表示快恢復(fù)二極管VD7導(dǎo)通時(shí)管壓降,UE表示IGBT的射極電位。由于IGBT的射極E與EXB841的-5V反偏壓信號(hào)腳1相連,故UE=5V。當(dāng)發(fā)生過流故障時(shí),U6=13V,由式(3)可得

UCE=U6-U7-UE=7.5V，

(4)

也就是,當(dāng)集射極之間的電壓UCE上升到7.5V左右時(shí),EXB841才認(rèn)為電路發(fā)生了過流故障,使得圖1中D點(diǎn)電位下降,進(jìn)而關(guān)斷IGBT。然而,IGBT正常導(dǎo)通時(shí)其管壓降UCE約為3V,當(dāng)UCE升高至7.5V時(shí),實(shí)際上IGBT已經(jīng)嚴(yán)重發(fā)生了過流故障,即使此時(shí)關(guān)斷了IGBT,有很大可能IGBT已經(jīng)被燒壞。而且EXB841內(nèi)部沒有對(duì)輸入信號(hào)鎖存的功能,故驅(qū)動(dòng)器EXB841也會(huì)因過流而損壞。

為了避免上述情況的發(fā)生,設(shè)計(jì)了專門的延時(shí)軟關(guān)斷[11]電路進(jìn)行保護(hù),其原理圖如圖2所示。其功能是當(dāng)電路過流發(fā)生時(shí),通過EXB841管腳5將過流信號(hào)送給外部延時(shí)軟關(guān)斷電路,保護(hù)電路動(dòng)作后,又通過EXB841管腳4輸出信號(hào)把IGBT柵極電壓切斷,進(jìn)而使IGBT進(jìn)入阻斷狀態(tài),達(dá)到保護(hù)器件和電路的目的。具體分析過程:如果電路中突然發(fā)生過流故障,EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖1)中VZ1被擊穿使V3導(dǎo)通,進(jìn)而使EXB841引腳5輸出電壓約為0V。在此基礎(chǔ)上,由圖2可知二極管D35導(dǎo)通,D24和V8截止,+20V直流電源通過R23給電容C10充電,則使V8集電極電位上升。當(dāng)V8集電極電位上升到15.9V后X12導(dǎo)通,+20V電源通過R25為X12提供維持電流,EXB841的4腳和圖1中E點(diǎn)被鉗位,也就是,使圖1中D點(diǎn)被鉗位,使EXB841內(nèi)部晶體管V4截止,V5導(dǎo)通,IGBT柵極電壓約為0V,進(jìn)而使IGBT無法再次開通,強(qiáng)迫使用者必須關(guān)機(jī)排除故障。

圖1中的C4和圖2中的R26的參數(shù)大小決定軟關(guān)斷下降的斜率。改變圖2中R23，C10和D31的參數(shù)大小可以調(diào)整軟關(guān)斷保護(hù)動(dòng)作的延遲時(shí)間。

其中,C10通過R23充電實(shí)現(xiàn)延時(shí),C10和R23組成的充電時(shí)間常數(shù)T2大小由式(5)計(jì)算得出,即延時(shí)時(shí)間為

T2=C10×R23=4.62μs，

(5)

而且V8集電極電位由0.97V上升到15.9V的時(shí)間t可用式(6)求得,其充電時(shí)間為

15.9=20(1-e-t/T2)+0.97e-t/T2，

(6)

t=7.09μs。

圖2　延時(shí)軟關(guān)斷電路原理圖 Fig.2　The schematic diagram of Soft-Switching circuit with delay

3改進(jìn)后IGBT驅(qū)動(dòng)電路的仿真研究

由于OrCAD/PSpice 具有人機(jī)界面良好、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、模擬仿真功能完善等優(yōu)點(diǎn),因此,IGBT驅(qū)動(dòng)電路的仿真研究借助于該軟件實(shí)現(xiàn)。

3.1改進(jìn)后IGBT驅(qū)動(dòng)電路仿真原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)太陽(yáng)能控制器逆變電路的需求分析[12～15],進(jìn)行了優(yōu)化后IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路EXB841仿真原理圖設(shè)計(jì)。仿真元件的選擇:IGBT選用大功率IGBT CM50DY-12H(600V/50A/2U)、續(xù)流二極管選用D1N5406，三極管選用Q2N2222和Q2N2604等。為了實(shí)現(xiàn)電路的仿真,仿真時(shí)把EXB841的內(nèi)部電路和外部電路結(jié)合繪出,在IGBT兩端加有200V的直流電源,驅(qū)動(dòng)電路的電源為20V。加上延時(shí)軟關(guān)斷保護(hù)電路,就得到了改進(jìn)后的IGBT驅(qū)動(dòng)電路仿真原理圖,如圖3所示。在軟關(guān)斷保護(hù)電路中,應(yīng)用了兩個(gè)光耦合器U2和U3,分別用于提供慢關(guān)斷報(bào)警和軟關(guān)斷報(bào)警。在實(shí)際應(yīng)用中這兩個(gè)光耦合器均接發(fā)光二極管,而仿真電路中用電阻代替,用電壓波形的變化顯示報(bào)警信號(hào)。

圖3　改進(jìn)后IGBT驅(qū)動(dòng)電路仿真原理圖 Fig.3　Schematic diagram of improved IGBT driver for simulation

3.2改進(jìn)后IGBT驅(qū)動(dòng)電路仿真分析

在改進(jìn)后IGBT驅(qū)動(dòng)電路仿真原理圖3設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4為IGBT柵壓仿真波形圖,圖5為降柵壓報(bào)警和軟關(guān)斷報(bào)警仿真波形圖。由圖4可以看出,只要IGBT不發(fā)生過流,軟關(guān)斷電路就不起作用;一旦IGBT發(fā)生過流,軟關(guān)斷電路啟動(dòng),箝制圖3中D點(diǎn)電位至2.1V,IGBT將不能再次導(dǎo)通,這樣就避免了因重復(fù)持續(xù)過流而導(dǎo)致IGBT損壞的現(xiàn)象,因此,達(dá)到了保護(hù)IGBT和EXB841的目的。

圖4　IGBT柵壓仿真波形圖 Fig.4　The simulation oscillogram of IGBT gate-voltage

圖5　降柵壓報(bào)警和軟關(guān)斷報(bào)警仿真波形圖 Fig.5　The simulation oscillogram of alarms for decreased gate-voltage and soft-switching

4結(jié)語

本文簡(jiǎn)單介紹了IGBT專用驅(qū)動(dòng)器EXB841的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本工作原理,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用指出了其過流保護(hù)功能不足之處,并設(shè)計(jì)了延時(shí)軟關(guān)斷電路對(duì)EXB841進(jìn)行了優(yōu)化。然后,應(yīng)用OrCAD/PSpice仿真軟件對(duì)EXB841觸發(fā)IGBT工作過程和優(yōu)化后的EXB841驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)和研究。仿真結(jié)果表明,延時(shí)軟關(guān)斷電路的正確性和可應(yīng)用性。此外,改進(jìn)后的EXB841驅(qū)動(dòng)電路已成功應(yīng)用于大功率太陽(yáng)能電源控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了該電路的過流保護(hù)動(dòng)作的快速性和有效性,提高了EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT的準(zhǔn)確性和可靠性。

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(編輯曹大剛)