EXB系列集成IGBT驱动电路(2)

2．EXB841的工作原理
EXB841的原理图如下图所示，EXB841内部集成了放大单元、过流保护单元和5V电压基准单元。放大单元由光电耦合器TS01 (TLP550)、 VT2、VT4、VT5、R1、C1、R2和R9组成，其中TS01起隔离作用，VT2是中间级，VT4和VT5组成推挽输出级。 过流保护单元由VT1、VT3、VD6、ZD1、C2、R3、R4、R5、R6、C3、R7、R8及C4等组成，实现过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，它通过检测电压UCE的高低来判断是否发生短路。5V电压基准单元由R10、VD2和C5组成，既为驱动IGBT提供-5V反偏压，同时也为输入光电耦合器TS01提供电源。
(1)正常开通过程
当控制电路使EXB841的输入端14脚和15脚有10mA的电流流过时，光电耦合器TS01就会导通，A点电位迅速下降至0V，使VT1和VT2截止。VT2的截止使D点电位上升至20V，VT4导通，VT5截止，EXB841通过VT4及栅极电阻RG向IGBT提供电流，使之迅速导通，Uc下降至3V。与此同时，VT1的截止使+20V电源通过R3向电容G2充电，时间常数t1为
   t1 = R3 * C2 = 2.42us
这时B点电位上升，它由0V上升到13V的时间可用下式求得：
    t13 = 20（1 - e）^-t/t1
式中，t=2.54us。
IGBT延迟约1us后导通，UCE下降至3V，从而将EXB841的⑥脚电位钳制在8V左右，因此B点和C点的电位不会上升到13V，而是上升到8V左右，这个过程持续时间为1.24us。因稳压管ZD1的稳压值为13V，IGBT正常开通时不会被击穿，VT3不导通，E点电位仍为20V左右，二极管VD6截止，不影响VT4和VT5的正常工作。
(2)正常关断过程
当控制电路使EXB841的输入端14脚和15脚无电流流过时，光电耦合器TS01不通，A点电位上升，使VT1和VT2导通。VT2的导通使VT4截止，VT5导通，IGBT栅极电荷通过VT5迅速放电，使EXB841的3脚电位迅速下降至0V（相对于EXB841的1脚低5V，使IGBT可靠关断，UCE迅速上升，使EXB841的6脚“悬空”。与此同时，VT1导通，C2通过VT1更快放电，将B点和C点电位钳在0V，使ZD1仍不导通，IGBT正常关断。
(3) 保护动作
若IGBT已正常导通，则VT1和VT2截止，VT4导通，VT5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，ZD1不被击穿，VT3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，UCE上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位开始由8V上升。当上升至13V时，ZD1被击穿，VT3导通，C4通过R7和VT3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3脚电位也逐步下降，缓慢关断IGB。B和C点电位由8V上升到13V的时间可用下式求得： 式中，t=1.3us。
C4与R7组成的RC网络的放电时间常数为
t2 = C4*R7 = 4.84us
E点电位由20V下降到3.6V的时间可用下式求得：
t3.6 = 20e^-t/t2
式中，t=8.3us。
此时慢关断过程结束，IGBT栅极上所受偏压为0V（设VT3的压降为0.3V，VT5和VT6的压降为0. 7V)，这种状态一直持续到控制信号使光电耦合器TS01截止。此时VT1和VT2导通，VT2的导通使D点电位下降到0V，从而使VT4完全截止，VT5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。VT1的导通使C2迅速放电，VT3截止，20V电源通过R8对C4充电。RC充电时间常数为 则E点电位由3. 6V上升至19V的时间可用下式求得： 式中，t=135us。
E点恢复到正常状态需135us，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）块仅需单+20V电源供电，它通过内部的5V稳压管为IGBT提供+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）输入采用高速光电耦合器隔离电路，既满足了隔离和快速的要求，又在很大程度上使电路结构得以简化，
3）通过精心设计，将过流时降低UCE与慢关断技术综合考虑，一旦电路检测到短路故障后，要延迟约1.5us（ZD1导通时，R1会有压降）UGE才开始降低，再过约8us后UGE才降低到0V（相对EXB841的①脚）。在这10us左右的时间内，如果短路现象消失，UGE会逐步恢复到正常值，但恢复时间决定于时间常数t3。
3．EXB系列驱动器内部电路的功能
EXB系列驱动器内部电路的功能有：
1）信号隔离电路。EXB系列驱动器采用高隔离电压的光电耦合器进行信号隔离，因此可用于480V交流电气设备上。因为驱动电路信号延迟依赖于光电耦合器的特性，所以应按照EXB系列驱动器的规格来选择高速或通用光电耦合器。
2）过流检测器。IGBT模块通常只能承受10us的短路电流，所以必须具有快速的短路电流保护电路。EXB系列驱动器内部没有电流保护电路，它根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流，其检测电路如下图所示。
3）低速过流关断电路。作为对过流的响应，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、低速过流关断电路可保护IGBT模块不被损坏（低速切断电路对于10us以内的过流不动作），IGBT关断时的集电极电流波形如下图所示。 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+15V开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，如下左图所示。
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的，如下右图所示。输入电路（光电耦合器）的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音阻抗。EXB系列驱动器在推荐的工作条件下使用时，还应注意以下事项。 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音。