EXB系列集成驱动器的优化方案

目前，大电流高电压的IGBT已模块化，为满足大电流高电压的IGBT模块对驱动电路的技术要求，现已研制生产出集成化的IGBT专用驱动电路，具有集成化程度高、技术性能指标高，单元电路可靠性高和体积小等特点。目前IGBT模块已广泛地应用于小体积，低噪声，高特性的开关电源、逆变器，不间断电源（UPS）以及电机速度控制装置中。EXB系列集成驱动器是结合IGBT模块的特点而研制和开发的专用集成驱动器。EXB850/851为标准型，其最大工作频率为10kHz，EXB840/841是高速型，其最大工作频率为40kHz。由于EXB系列驱动器采用具有高隔离电压的光耦合器做为信号隔离，因此能用于交流380V的动力设备上。

图4-40 EXB系列集成驱动器芯片

a）EXB850/851 b）EXB840/841

EXB系列集成驱动芯片是一种专用于IGBT的集驱动保护等功能于一体的复合集成电路。图4-40给出了EXB系列集成驱动器芯片的功能方框图。

1.EXB系列集成驱动器特点

EXB系列集成驱动器的特点有

1）EXB85系列的最大工作频率为10kHz，EXB84系列的最大工作频率为40kHz，适用于全部IGBT模块产品范围。

2）内置用于高隔离电压的光耦合器，可承受2500V交流电压1min。

3）单供电源工作。

4）内置过电流保护电路，并可输出过电流保护信号。

5）采用高密度的SIL封装。

EXB系列集成驱动器技术参数见表4-18。

表4-18 EXB系列集成驱动器技术参数

使用不同型号的EXB系列集成驱动器，可以达到驱动电流高达400A，电压高达1200V的各种型号的IGBT。由于驱动电路的信号延迟时间分为两种：标准型（EXB850、EXB851）不长于4μs，高速型（EXB840、EXB841）不长于1μs，所以标准型的IC适用于频率高达10kHz的开关工作，而高速型的IC适用于频率高达40kHz的开关工作。EXB系列集成驱动器的引脚功能见表4-19。

表4-19 EXB系列集成驱动器的引脚功能

EXB系列集成驱动器的额定参数和特性[绝对最大额定值（T_a=25℃）]见表4-20。

表4-20 EXB系列集成驱动器的额定参数和特性

EXB系列集成驱动器的推荐的运行条件见表4-21。

表4-21 EXB系列集成驱动器的推荐的运行条件

EXB系列集成驱动器的推荐的电特性（T_a=25℃）见表4-22。

表4-22 EXB系列集成驱动器的推荐的电特性

注：EXB850和EXB851（中速）需应用电路所示的I_F过驱动。

EXB系列集成驱动器的使用特点有

1）EXB系列集成驱动器是通过检测IGBT在导通过程中的饱和压降V_CE来实施对IGBT的过电流保护的。对于IGBT的过电流处理完全由驱动芯片自身完成，对于电机驱动用的三相逆变器实现无跳闸控制有较大的帮助。

2）EXB系列集成驱动器对IGBT过电流保护的处理采用了软关断方式，因此主电路的dv/dt比硬关断时小了许多，这对IGBT的使用较为有利，是值得重视的一个优点。

3）EXB系列集成驱动器内集成了功率放大电路，这在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。

4）EXB系列集成驱动器最大只能驱动1200V/300A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大电路，该类芯片为单电源供电，IGBT的关断负电压信号是由芯片内部产生的-5V信号，容易受到外部的干扰。因此对于300A以上的IGBT或者IGBT并联时，就需要考虑其他驱动芯片。

由于EXB系列集成驱动器内部具备过电流保护功能，当IGBT过电流时，采用了软关断方式关断IGBT，所以IGBT中电流是一个较缓的斜坡下降，这样一来，IGBT关断时的di/dt明显减少，这在一定程度上减小了对控制电路的过电流保护性能的要求。在应用电路的设计中，应注意以下几个方面的问题：

1）IGBT栅-射极驱动电路接线必须小于1m。

2）IGBT栅-射极驱动电路接线应为双绞线。

3）若要抑制IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻（R_G）即可。

4）应用电路中的电容C₁和C₂取值相同，对于EXB850和EXB840来说，取值为33μF，对于EXB851和EXB841来说，取值为47μF。该电容用来吸收由电源接线阻抗而引起的供电电压变化。它不是电源滤波器电容。

2.EXB841工作原理

EXB841的原理图如图4-41所示，EXB841内部集成了放大单元、过电流保护单元和5V电压基准单元。放大单元由光耦合器IS01（TLP550）、V2、V4、V5和R₁、C₁、R₂、R₉组成，其中IS01起隔离作用，V2是中间级，V4和V5组成推挽输出级。

图4-41 EXB841的原理图

过电流保护单元由V1、V3、VD6、VS1和C₂、R₃、R₄、R₅、R₆、C₃、R₇、R₈、C₄等组成，实现过电流检测和延时保护功能。EXB841的6脚通过快速二极管VD7接至IGBT的集电极，它是通过检测电压V_CE的高低来判断是否发生短路。5V电压基准单元由R₁₀、VS2和C₅组成，为驱动IGBT提供-5V反偏压，同时也为输入光耦合器IS01提供电源。

（1）正常开通过程

当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，光耦合器IS01就会导通，A点电位迅速下降至0V，使V1和V2截止；V2截止使D点电位上升至20V，V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻R_G向IGBT提供电流使其迅速导通，V_C下降至3V。与此同时，V1截止使+20V电源通R₃向电容C₂充电，时间常数τ₁为(www.xing528.com)

τ₁=R₃×C₂=2.42μs （4-6）

又使B点电位上升，它由0升到13V的时间可用下式求得：

t₁₃=20（1-e）^-t/τ1 （4-7）

t=2.54μs

IGBT延迟约1μs后导通，V_CE下降至3V，从而将EXB841的脚6电位钳制在8V左右，因此B点和C点电位不会上升到13V，而是上升到8V左右，这个过程时间为1.24μs；因稳压管VS1的稳压值为13V，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，不影响V4和V5的正常工作。

（2）正常关断过程

当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光耦合器IS01不通，A点电位上升使V1和V2导通；V2导通使V4截止，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至0V（相对于的EXB841脚1低5V），使IGBT可靠关断，V_CE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点电位钳在0V，使VS1不被击穿，IGBT正常关断。

（3）保护动作

若IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，VS1不被击穿，V3不导通，E点电位保持为20V，二极管VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，V_CE上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚6悬空，B点和C点电位开始由8V上升；当上升至13V时，VS1被击穿，V3导通，C₄通过R₇和V3放电，E点电位逐步下降，二极管VD6导通时D点电位也逐步下降，从而使EXB841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT。B点和C点电位由8V上升到13V的时间可用下式求得

t₁₃=20（1-e）^-t/τ1-8e^-t/τ1 （4-8）

t=1.3μs

C₄与R₇组成的放电时间常数为

T₂=C₄×R₇=4.84μs

E点由20V下降到3.6V的时间可用下式求得

t_3.6=20e^-t/τ2 （4-9）

t=8.3μs

此时慢关断过程结束，IGBT栅极上所受偏压为0V（设V3管压降为0.3V，V6和V5的压降为0.7V），这种状态一直持续到控制信号使光耦合器TS01截止，此时V1和V2导通，V2导通使D点下降到0V，从而V4完全截止，V5完全导通，IGBT栅极所受偏压由慢关断时的0V迅速下降到-5V，IGBT完全关断。V1导通使C₂迅速放电、V3截止，20V电源通过R₈对C₄充电，RC充电时间常数为

T₃=C₄×R₈=48.4μs

则E点由3.6V充至19V的时间可用下式求得：

t₁₉=20（1-e）^-t/τ3+3.6e^-t/τ3 （4-10）

t=135μs

则E点恢复到正常状态需135μs，至此EXB841完全恢复到正常状态，可以进行正常的驱动。EXB841在设计上充分考虑到IGBT的特点，电路简单实用，具有如下特点：

1）模块仅需单电源（+20V）供电，它通过内部5V稳压管为IGBT提供了+15V和-5V的电平，既满足了IGBT的驱动条件，又简化了电路，为整个系统设计提供了很大方便。

2）输入采用高速光耦合器隔离电路，既满足了隔离和快速的要求，又在很大程度上使电路结构简化。

3）通过精心设计，将过流时降低V_GE与慢关断技术综合考虑，一旦电路检测到短路后，要延迟约1.5μs（VS1导通时，R₄会有压降）V_GE才开始降低，再过约8μs后V_GE才降低到0V（相对EXB841的1脚）。在这10μs左右的时间内，如果短路现象消失，V_GE会逐步恢复到正常值，但恢复时间决定于时间常数t₃。

3.EXB系列驱动器的内部电路功能

EXB系列驱动器的内部电路功能有

1）信号隔离电路。EXB系列驱动器采用高隔离电压的光耦合器用作信号隔离，因此可用于AC480V的动力电气设备上。因为驱动电路信号延迟依赖于光耦合器的特性，所以应按照EXB系列驱动器的规格来选择高速或通用光耦合器。

2）过电流检测器。IGBT模块通常只能承受10μs的短路电流，所以必须具有快速的短路电流保护电路。EXB系列驱动器内设有电流保护电路，是根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电电流，其检测电路如图4-42所示。

图4-42 EXB系列驱动器的检测电路

3）低速过电流关断电路。作为对过电流的响应，当以正常驱动速度关断过流时，IGBT产生的集电极电压尖脉冲足以损坏IGBT模块。低速过电流关断电路可保护IGBT模块不被损坏（低速切断电路对于≤10μs期间的过电流保护不动作），IGBT关断时的集电极波形如图4-43所示；

4）栅关断电源。IGBT模块需要一个+15V开栅电压以获得一个低开启电压，还需要一个-5V关栅电压，以防止关断时的误动作。开栅电压和关栅电压（+15V和-5V）均可由20V供电的驱动器内部电路产生，如图4-44所示。

图4-43 IGBT关断时的集电极波形

EXB系列驱动器为提高抗干扰性能，其输入电路与输出电路的接线端子是分开，如图4-45所示。输入电路（光耦合器）接线端子远离输出电路的接线端子，以保证有适当的绝缘强度和高的噪声阻抗。EXB系列驱动器在推荐的工作条件下使用，应注意以下事项：

图4-44 20V供电的驱动器内部电路

图4-45 输入电路与输出电路分开示意图

1）驱动器输出过高的驱动电压会损坏IGBT，而其输出驱动电压过低将使IGBT不能正常的导通。

2）过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟时间，过小的输入电流会引起驱动电路工作不稳定。

3）IGBT的栅极电阻若选择不当，将增加IGBT和续流二极管的开关噪声。