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0 引言 用介質阻擋放電法（DBD法）的大功率臭氧發(fā)生設備已廣泛應用于自來水、泳池水處理以及污廢水的深度處理，在提高生活用水質量和環(huán)境保護領域起著越來越重要的作用。臭氧發(fā)生設備的關鍵技術是用IGBT實現的高壓逆變電源，而IGBT的可靠驅動與保護是高性能電源的重要保障。IGBT專用驅動芯片EXB841，具有正負偏壓、過流檢測、故障保護和軟關斷等主要功能特征，在300A容量以下的IGBT驅動中得到了廣泛應用。但它存在著許多不足，有待進一步完善與改進，以便更好地滿足IGBT的驅動要求，實現IGBT驅動電路性能的優(yōu)化。本文結合研制的大功率DBD型臭氧電源，在探討IGBT的驅動要求和EXB841在應用中的不足的基礎上，研究和設計了一種新的基于EXB841的優(yōu)化驅動電路，并給出了實驗結果。臭氧逆變電源的實際運行結果說明該設計是合適的，不僅克服了原EXB841典型應用的不足，而且還極大地改善了IGBT的驅動與保護性能。 1 臭氧電源系統(tǒng)的組成及其工作原理 圖1所示為臭氧電源系統(tǒng)原理框圖，整個系統(tǒng)由主電路、控制電路和驅動電路組成。主電路包括整流電路、逆變電路；控制電路主要包括IGBT驅動電路、晶閘管智能模塊觸發(fā)電路、保護電路和軟啟動電路。根據介質阻擋放電產生臭氧的機理，臭氧發(fā)生器可等效為由Cd（介質等效電容）、Cg（氣隙等效電容）和Vz（放電維持電壓）組成的等效電路。對于供電電源來說，發(fā)生器是一非線性容性負載。 圖1 電源系統(tǒng)控制原理框圖 整流電路采用三相整流智能控制模塊，該模塊高度集成了晶閘管主電路和移相控制電路，且具有過熱、過流、缺相保護功能，使用起來非常方便。電容C1很大，因而直流輸入可近似地等效為一個電壓源，電感L主要起平波作用。電源的功率調節(jié)是通過調節(jié)全控整流橋晶閘管的觸發(fā)角α來實現的。逆變電路采用PWM控制，輸出電壓波形為頻率變化的方波，此方波電壓經中頻升壓變壓器升壓后給臭氧發(fā)生器供電。S1－S4為IGBT功率管，C2為防止變壓器偏磁的隔直電容。采用頻率跟蹤技術使逆變橋工作頻率接近于負載諧振頻率，即準諧振狀態(tài)，負載由補償電感Ls（包括變壓器漏感）和臭氧發(fā)生器串聯(lián)組成，實現對功率因數的補償。 2 IGBT的驅動要求 IGBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件。IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力及dv/dt等參數，并決定了IGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性。因此，在使用IGBT時，最重要的就是要設計好驅動與保護電路。IGBT對驅動電路有如下要求。 2.1 柵極驅動電壓Uge 由于IGBT開關速度較高,關斷時很高的di/dt將在分布電感上產生較高的關斷浪涌電壓，其值可能超過IGBT的集射極間耐壓值而造成器件損壞。當Uge增加時，導通狀態(tài)下的集射極電壓Uce減小，開通損耗下降，但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，續(xù)流二極管反向恢復過電壓增大。因此，Uge的選擇應折衷考慮。為保證IGBT在集射極間出現dv/dt噪聲時可靠關斷，關斷時必須在柵極施加負偏壓。特別應當注意，若這個負電壓值太小,集電極電壓變化率dv/dt可能使管子誤導通或不能關斷。 2.2 柵極串聯(lián)電阻Rg及柵射電阻Rge 為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極上的電壓尖脈沖，須在柵極串接電阻Rg。但增大Rg會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加；而減小Rg又會使di/dt增加，可能引發(fā)誤導通或損害IGBT。由于IGBT屬于壓控器件，當集射極間加有高電壓時,很容易受外界干擾，使柵射極電壓超過導通時的門檻電壓，引起器件誤導通，尤其是在橋式逆變器中易造成橋臂直通。為防這類現象發(fā)生，應在柵射極間并接30kΩ左右的電阻Rge。 2.3 驅動電路的電源 驅動電路的電源應穩(wěn)定，應有足夠的功率，以滿足柵極對驅動功率的要求，能提供足夠高的正負柵壓。在大電流應用場合，每個柵極驅動電路最好都采用獨立的分立絕緣電源。驅動電路的電源和控制電路的電源應獨立，以減小相互間的干擾。 日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，是一種比較典型的驅動電路。其功能比較完善，在國內得到了廣泛應用。 3 驅動芯片EXB841 圖2是EXB841的內部原理圖，其主要有3個工作過程：正常開通過程、正常關斷過程和保護動作過程。保護動作過程是根據IGBT開通期間其集射極間電壓Uce的大小判定是否發(fā)生過流而進行保護的。當IGBT開通時，若發(fā)生短路，Uce上升很多，會使得D7截止，EXB841的腳6“懸空”，B點和C點電位開始上升；當上升至13V時，VZ1被擊穿，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，D6導通，從而使IGBT的集射極間電壓Uge下降，實現緩關斷，完成EXB841對IGBT的保護。作為IGBT的驅動芯片，EXB841有著眾多的優(yōu)點，但也存在著下列不足。 圖2 EXB841內部原理圖 3.1 過流保護閾值太高 過流保護的閾值設置不合理。EXB841判定過流的主要依據是腳6電壓。腳6電壓不僅和Uce有關，還和D7的導通電壓有關。由于D7在0.5～0.6V時即可開通，故可知過流時Uce約為7.5V（=13－5－0.5=7.5V）。而通常IGBT在通過額定電流時導通壓降約為3.5V，當Uce=7.5V時IGBT已嚴重過流。 3.2 負偏壓不足 負偏壓偏低是EXB841的一個致命弱點。EXB841設置負柵壓是為了防止較高dv/dt而引起IGBT誤動作。但在高壓大電流時，開關管通斷會在負柵壓信號中產生很大的干擾尖刺，使截止的IGBT誤導通。對于全橋電路則存在直通的可能，因而有必要適當提高負偏壓。實際表明，在合理布局的基礎上，一般須采用8V左右的負偏壓才能滿足要求。 3.3 存在虛假過流 一般大功率IGBT的導通時間ton在1μs左右，但其尾部電壓下降是較慢的。實驗表明，當電源電壓較高時，Uce下降至飽和導通壓降通常約需4～5μs，而過流檢測的延遲時間約為2.7μs，于是在使用中往往會出現虛假過流。因而腳5輸出信號應延時5μs，以識別真假過流，并使真正過流在內部軟關斷后才封鎖PWM信號。 3.4 過流保護無自鎖功能 在過流保護時，只具有當前脈沖軟關斷功能，而不是完全關閉。如果存在過流，它只能把正常的驅動信號變成一系列降幅脈沖，連續(xù)工作亦可能導致器件損壞。這就需在過流檢測時，當防誤觸發(fā)和保證軟關斷后，必須能自動鎖定過流信號，同時終止其輸出。 4 驅動電路優(yōu)化設計 針對上述EXB841典型應用中存在的不足，在設計臭氧逆變電源中，研究與設計了基于EXB841的優(yōu)化驅動電路，如圖3所示。 圖3 EXB841的優(yōu)化設計電路 輔助電源電壓采用24V。這是因為負偏壓影響保護特性，負偏壓和保護閾值電壓之和不得高于13V，否則將被視為過流狀態(tài)而不能正常工作。為降低保護閾值電壓，即過流時的Uce值，可通過外接穩(wěn)壓管提高負偏壓，這時正向驅動電壓將下降，因此，為保證正向驅動電壓而適當地提高了電源電壓。 外接辦法是斷開EXB841的腳1與IGBT發(fā)射極E間的連線，如圖3所示，用外接的穩(wěn)壓管代替EXB841內部的穩(wěn)壓管VZ2，此時應使穩(wěn)壓管兩端并有電容，同時也須根據穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值適當調整其所在支路的限流電阻。本電路選用了穩(wěn)壓值為8V的穩(wěn)壓管，限流電阻4.7kΩ，穩(wěn)壓管 兩端并聯(lián)電容為0.33μF。為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，在柵射極間并接了兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。 對于偏高的保護動作閾值難以起到有效的保護作用，除用短路等輔助保護外，仍須配合電流傳感器進行過流保護。為了適當降低動作閾值，已提出過采用高壓降檢測二極管或采用串接反向穩(wěn)壓管及二極管的方法，但其調整受到較大限制。而本改進電路不僅可使實際過載電流小于IGBT的極限過載電流，而且還實現了保護電壓的連續(xù)調節(jié)和較準確控制。 為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩以及減少IGBT集電極高電壓尖脈沖，須在柵極串聯(lián)電阻Rg。但是，在開通IGBT時，Rg增大會使IGBT的導通時間延長，能耗增加，因此需要減小Rg；而在關斷IGBT時，由于dv/dt較大，會導致IGBT發(fā)生擎住效應，因此需要增大Rg以延長關斷時間，減小過電壓。為此對電路進行了部分改進，采用了不對稱的開啟和關斷的方法。如圖3所示，在IGBT開通時，EXB841的腳3提供＋15V觸發(fā)電壓，此時兩個電阻并聯(lián)使Rg值較小，在IGBT關斷時，EXB841提供－8V電壓，此時二極管D1截止，Rg=Rg2值較大，可以增大關斷時間，減小過電壓。當然，Rg阻值的增加會加大IGBT的開關損耗，因此，要合理選擇Rg1和Rg2的阻值。 對于EXB841驅動中產生的虛假過流以及無過流自鎖，如圖3所示，可通過外接光耦將信號傳輸給外部保護電路，經過一定延時以防止誤動作和保證進行軟關斷后由觸發(fā)器鎖定。延時是為了使IGBT軟關斷后再停止觸發(fā)信號，避免了立即停止觸發(fā)信號造成硬關斷，同時還極大地提高了抗虛假過流的能力。本鎖定保護電路其工作原理是：當過流檢測信號超過設定值時，過流高速比較器LM319輸出高電平，電容C2通過R7充電，若LM393持續(xù)低電平時間大于設定保護時間（一般是5μs），穩(wěn)壓管VD1被擊穿，三極管Q2飽和導通，輸出低電平，經R－S觸發(fā)器翻轉、鎖定，并送至SG3525的腳10，停止PWM波輸出。由于EXB841的腳5被置為低電平，IGBT在此過程中緩關斷。若是EXB841誤觸發(fā)，則自動恢復到工作狀態(tài)。 5 實驗結果 實驗驅動波形如圖4所示，反向關斷電壓為－7.8V，正向驅動電壓為15.2V，正負偏壓同時得到了調整，且波形呈規(guī)則的矩形波。實驗中還發(fā)現若穩(wěn)壓管兩端未并接電容，則正向驅動電壓上升沿仍然很陡，而由正向驅動電壓向反向關斷電壓切換時，先有一很陡的快速下降過程，接近0V時，經過緩慢的過渡過程才達到穩(wěn)態(tài)反向關斷電壓。這是由于反向充電時間常數過大引起的。 (a) 輸入的PWM波與S1的柵極波形 (b) S1與S2的柵極波形 圖4 驅動優(yōu)化電路實驗波形 原EXB841典型驅動電路應用到臭氧電源時，電源系統(tǒng)極易出現故障，表現為：由于負偏壓不足，導致內部穩(wěn)壓管損壞；在橋式電路中，IGBT發(fā)生直通現象，IGBT經常炸毀；由于臭氧電源中強電磁干擾的存在，致使EXB841在電流較小時就產生虛假過流故障報警，使得設備無法正常運行，從而使保護功能失效。改進后的優(yōu)化電路使以上幾種故障均得以消除，設備能長時間可靠運行。從驅動波形看，正負偏壓均得到了提高。同時，由于用外接穩(wěn)壓管替代了內部穩(wěn)壓管，故在產生故障時，一般只是燒毀外接穩(wěn)壓管，從而保護了EXB841，降低了設備的維修成本。圖5為該臭氧設備正常運行（準諧振狀態(tài)）時的電壓電流波形，黑色波形為放電電流波形。 圖5 發(fā)生器兩端的電壓與變壓器副邊電流波形（放電） 6 結語 EXB841改進型驅動電路具有較好的實用性，既提高了EXB841驅動能力，又具有很強的過流信號識別功能，從而對過流真正起到了保護作用。將改進后的驅動電路應用到臭氧電源后，電源性能得到大幅度提高，滿足了高濃度、高產量臭氧發(fā)生器的要求。本文對于合理應用EXB841設計IGBT驅動電路，有著較大的參考價值。 |
