基于OrCAD/Pspice的IGBT驅動器EXB841的改進與仿真

2015-12-29 00:43:30趙水英,孫旭霞,李生民

西北大學學報(自然科學版) 2015年1期

·數(shù)理科學·

趙水英1,孫旭霞2,李生民2

(1.宿州學院機械與電子工程學院,安徽宿州234000;2.西安理工大學自動化與信息工程學院,陜西西安710048)

摘要：分析了IGBT專用驅動器EXB841的組成和觸發(fā)工作原理，針對EXB841對過流故障信號不能鎖存而導致IGBT損壞這一缺陷,設計了延時軟關斷電路加以改進,并通過OrCAD/PSpice軟件進行了仿真原理圖設計與仿真分析。仿真結果驗證了延時軟關斷電路的正確性和可行性。改進后的電路已投入太陽能電源控制系統(tǒng)中使用,結果表明所設計的電路完善了EXB841的過流保護能力,具有良好的實用性。

關鍵詞：IGBT; EXB841;過流保護;OrCAD/Pspice仿真

收稿日期：2014-02-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目(81001622)；陜西省國際合作基金資助項目(2013KW31-01)；安徽省優(yōu)秀青年人才基金重點資助項目(2013SQRL084ZD); 宿州學院科研基金資助項目(2012yyb06)

作者簡介：趙水英，女，河南開封人，從事電力系統(tǒng)與測控技術研究。

中圖分類號：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復合而成的半導體器件[1]。它綜合了GTR和電力MOSFET兩種器件的優(yōu)點,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。因此,被廣泛地應用于各種開關電源、變頻器、電機控制等中大功率場合。

由于IGBT是全控型器件,其開通和關斷過程完全依賴于外部驅動電路的驅動,故驅動電路性能[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動器,如日本富士的EXB系列、日本東芝的TK系列,美國摩托羅拉的MPD系列等。其中,日本富士公司的EXB841驅動IGBT應用最廣泛。

盡管EXB841具有集成程度高、觸發(fā)速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點,并且能夠實現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅動[3]。但是，EXB841沒有過流故障鎖存功能[4],外部過流發(fā)生時不能徹底保護IGBT和相關電路。尤其對于大功率的太陽能控制裝置,當IGBT因故障過流時,盡管EXB841能夠利用內部的過流檢測電路輸出故障指示信號,使IGBT瞬間關斷，但因其對故障信號沒有鎖存功能,會使IGBT再次導通過流,直到IGBT被燒壞。針對這種情況,本文采用延時軟關斷電路對EXB841進行了改進。并借助于OrCAD/PSpice軟件仿真，結果表明所設計延時軟關斷電路的正確性和有效性。另外,還將改進后的EXB841驅動器投入太陽能電源控制系統(tǒng)中進行了應用,其運行結果表明，IGBT不僅能夠準確、快速、可靠地開通和關斷,還有效地消除了因電路過流損壞IGBT的現(xiàn)象。同時,也對驅動器EXB841進行了保護。

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延遲時間約為1μs,工作頻率高達40～50kHz的專用高速型混合集成驅動器[5-6]。其內部結構如圖1所示,主要由運放電路、過流保護電路和5V電壓基準電路三大部分構成。運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和保護功能,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電壓基準電路,這樣既為驅動IGBT提供-5V反偏電壓,同時也為輸入光耦合器TLP550提供電源。

圖1　EXB841內部結構 Fig.1　The inside structure of EXB841

1.2觸發(fā)IGBT開通過程

結合圖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導通,使A點電位迅速下降到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,充電時間常數(shù)

T1=R3×C2=2.42μs。

(1)

隨著電容C2被充電使B點電位從零逐漸上升,理想情況下,它由零升到13V的時間可用式(2)求得,即所需時間為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)導通,且UCE降到3V,故將EXB841的腳6電位箝位在8V左右。這樣B點和C點電位不能充到13V,而是充到8V左右,此過程所需時間為1.24μs。又因為穩(wěn)壓管VZ1的穩(wěn)壓值為13V,故IGBT正常開通時不會被擊穿,V3不通,E點電位仍為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關斷過程

若EXB841輸入端腳I4和腳I5無電流通過時,光耦合器TLP550不導通,+20V電壓通過R2給電容C1充電使A點電位上升,晶體管V1，V2導通。V2導通使V4截止,V5導通,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(相對于EXB841的腳1低5V),使IGBT可靠關斷,UCE迅速上升,使EXB841的腳6“懸空”。與此同時,V1導通,C2通過V1更快放電,將B點和C點電位箝在0V,使VZ1仍不通,后續(xù)電路不會動作,IGBT正常關斷。

1.4IGBT過流保護過程

如果IGBT已正常開通,V1，V2和V5處于截止狀態(tài),而V4處于導通狀態(tài),此時B，C點電位穩(wěn)定在約8V。而且V3不導通,E點電位保持為20V。若此時電路突然使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點和C點電位開始由8V上升,當上升到13V時,穩(wěn)壓管VZ1被擊穿,V3由截止變?yōu)閷?電容C4通過R7和V3進行放電,故E點電位逐漸降低。當二極管VD6導通時，D點電位也開始降低,則使EXB841的腳3電位下降,最終關斷IGBT。

盡管當IGBT發(fā)生過流故障時,EXB841會在當前工作周期內能使IGBT關斷進行保護[8-9]。但是,由于EXB841驅動電路中沒有設置過流信號鎖定功能,在接下來的工作周期內,IGBT會再次導通,然后再延時保護關斷。只要過流故障沒有消除,這個過程會一直持續(xù)下去,直至IGBT被燒壞。因此,針對這個問題,本文采用延時軟關斷法對EXB841過流保護電路加以改進,使其保護功能更加可靠、更加完善。

2延時軟關斷電路原理分析

由圖1可知,EXB841內部設有過流檢測功能,其功能是通過檢測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分析可得驅動器EXB841的6腳電壓U6與UCE之間的關系為

U6=UCE+U7+UE，

(3)

式(3)中,U6表示驅動器EXB841的6腳電壓,UCE表示IGBT導通時集射極之間的電壓,U7表示快恢復二極管VD7導通時管壓降,UE表示IGBT的射極電位。由于IGBT的射極E與EXB841的-5V反偏壓信號腳1相連,故UE=5V。當發(fā)生過流故障時,U6=13V,由式(3)可得

UCE=U6-U7-UE=7.5V，

(4)

也就是,當集射極之間的電壓UCE上升到7.5V左右時,EXB841才認為電路發(fā)生了過流故障,使得圖1中D點電位下降,進而關斷IGBT。然而,IGBT正常導通時其管壓降UCE約為3V,當UCE升高至7.5V時,實際上IGBT已經(jīng)嚴重發(fā)生了過流故障,即使此時關斷了IGBT,有很大可能IGBT已經(jīng)被燒壞。而且EXB841內部沒有對輸入信號鎖存的功能,故驅動器EXB841也會因過流而損壞。

為了避免上述情況的發(fā)生,設計了專門的延時軟關斷[11]電路進行保護,其原理圖如圖2所示。其功能是當電路過流發(fā)生時,通過EXB841管腳5將過流信號送給外部延時軟關斷電路,保護電路動作后,又通過EXB841管腳4輸出信號把IGBT柵極電壓切斷,進而使IGBT進入阻斷狀態(tài),達到保護器件和電路的目的。具體分析過程:如果電路中突然發(fā)生過流故障,EXB841內部結構(圖1)中VZ1被擊穿使V3導通,進而使EXB841引腳5輸出電壓約為0V。在此基礎上,由圖2可知二極管D35導通,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V8集電極電位上升到15.9V后X12導通,+20V電源通過R25為X12提供維持電流,EXB841的4腳和圖1中E點被鉗位,也就是,使圖1中D點被鉗位,使EXB841內部晶體管V4截止,V5導通,IGBT柵極電壓約為0V,進而使IGBT無法再次開通,強迫使用者必須關機排除故障。

圖1中的C4和圖2中的R26的參數(shù)大小決定軟關斷下降的斜率。改變圖2中R23，C10和D31的參數(shù)大小可以調整軟關斷保護動作的延遲時間。

其中,C10通過R23充電實現(xiàn)延時,C10和R23組成的充電時間常數(shù)T2大小由式(5)計算得出,即延時時間為

T2=C10×R23=4.62μs，

(5)

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

15.9=20(1-e-t/T2)+0.97e-t/T2，

(6)

t=7.09μs。

圖2　延時軟關斷電路原理圖 Fig.2　The schematic diagram of Soft-Switching circuit with delay

3改進后IGBT驅動電路的仿真研究

由于OrCAD/PSpice 具有人機界面良好、數(shù)據(jù)處理能力強、模擬仿真功能完善等優(yōu)點,因此,IGBT驅動電路的仿真研究借助于該軟件實現(xiàn)。

3.1改進后IGBT驅動電路仿真原理圖設計

根據(jù)太陽能控制器逆變電路的需求分析[12～15],進行了優(yōu)化后IGBT專用驅動電路EXB841仿真原理圖設計。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。為了實現(xiàn)電路的仿真,仿真時把EXB841的內部電路和外部電路結合繪出,在IGBT兩端加有200V的直流電源,驅動電路的電源為20V。加上延時軟關斷保護電路,就得到了改進后的IGBT驅動電路仿真原理圖,如圖3所示。在軟關斷保護電路中,應用了兩個光耦合器U2和U3,分別用于提供慢關斷報警和軟關斷報警。在實際應用中這兩個光耦合器均接發(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警信號。

圖3　改進后IGBT驅動電路仿真原理圖 Fig.3　Schematic diagram of improved IGBT driver for simulation

3.2改進后IGBT驅動電路仿真分析

在改進后IGBT驅動電路仿真原理圖3設計的基礎上,進行了仿真,仿真結果如圖4和圖5所示。圖4為IGBT柵壓仿真波形圖,圖5為降柵壓報警和軟關斷報警仿真波形圖。由圖4可以看出,只要IGBT不發(fā)生過流,軟關斷電路就不起作用;一旦IGBT發(fā)生過流,軟關斷電路啟動,箝制圖3中D點電位至2.1V,IGBT將不能再次導通,這樣就避免了因重復持續(xù)過流而導致IGBT損壞的現(xiàn)象,因此,達到了保護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　降柵壓報警和軟關斷報警仿真波形圖 Fig.5　The simulation oscillogram of alarms for decreased gate-voltage and soft-switching

4結語

本文簡單介紹了IGBT專用驅動器EXB841的內部結構和基本工作原理,結合實際應用指出了其過流保護功能不足之處,并設計了延時軟關斷電路對EXB841進行了優(yōu)化。然后,應用OrCAD/PSpice仿真軟件對EXB841觸發(fā)IGBT工作過程和優(yōu)化后的EXB841驅動電路進行了仿真設計和研究。仿真結果表明,延時軟關斷電路的正確性和可應用性。此外,改進后的EXB841驅動電路已成功應用于大功率太陽能電源控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)運行結果驗證了該電路的過流保護動作的快速性和有效性,提高了EXB841驅動IGBT的準確性和可靠性。

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