臭氧电源驱动保护电路的设计与实现

0 引言

用介质阻挡放电法（DBD法）的大功率臭氧发生设备已广泛应用于自来水、泳池水处理以及污废水的深度处理，在提高生活用水质量和环境保护领域起着越来越重要的作用。臭氧发生设备的关键技术是用IGBT实现的高压逆变电源，而IGBT的可靠驱动与保护是高性能电源的重要保障。IGBT专用驱动芯片EXB841，具有正负偏压、过流检测、故障保护和软关断等主要功能特征，在300A容量以下的IGBT驱动中得到了广泛应用。但它存在着许多不足，有待进一步完善与改进，以便更好地满足IGBT的驱动要求，实现IGBT驱动电路性能的优化。本文结合研制的大功率DBD型臭氧电源，在探讨IGBT的驱动要求和EXB841在应用中的不足的基础上，研究和设计了一种新的基于EXB841的优化驱动电路，并给出了实验结果。臭氧逆变电源的实际运行结果说明该设计是合适的，不仅克服了原EXB841典型应用的不足，而且还极大地改善了IGBT的驱动与保护性能。

1 臭氧电源系统的组成及其工作原理  

图1所示为臭氧电源系统原理框图，整个系统由主电路、控制电路和驱动电路组成。主电路包括整流电路、逆变电路；控制电路主要包括IGBT驱动电路、晶闸管智能模块触发电路、保护电路和软启动电路。根据介质阻挡放电产生臭氧的机理，臭氧发生器可等效为由Cd（介质等效电容）、Cg（气隙等效电容）和Vz（放电维持电压）组成的等效电路。对于供电电源来说，发生器是一非线性容性负载。


  
图1 电源系统控制原理框图

整流电路采用三相整流智能控制模块，该模块高度集成了晶闸管主电路和移相控制电路，且具有过热、过流、缺相保护功能，使用起来非常方便。电容C1很大，因而直流输入可近似地等效为一个电压源，电感L主要起平波作用。电源的功率调节是通过调节全控整流桥晶闸管的触发角α来实现的。逆变电路采用PWM控制，输出电压波形为频率变化的方波，此方波电压经中频升压变压器升压后给臭氧发生器供电。S1－S4为IGBT功率管，C2为防止变压器偏磁的隔直电容。采用频率跟踪技术使逆变桥工作频率接近于负载谐振频率，即准谐振状态，负载由补偿电感Ls（包括变压器漏感）和臭氧发生器串联组成，实现对功率因数的补偿。

2 IGBT的驱动要求

IGBT是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件。IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dv/dt等参数，并决定了IGBT的静态与动态特性。因此，在使用IGBT时，最重要的就是要设计好驱动与保护电路。IGBT对驱动电路有如下要求。

2.1 栅极驱动电压Uge

由于IGBT开关速度较高,关断时很高的di/dt将在分布电感上产生较高的关断浪涌电压，其值可能超过IGBT的集射极间耐压值而造成器件损坏。当Uge增加时，导通状态下的集射极电压Uce减小，开通损耗下降，但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此，Uge的选择应折衷考虑。为保证IGBT在集射极间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压。特别应当注意，若这个负电压值太小,集电极电压变化率dv/dt可能使管子误导通或不能关断。

2.2 栅极串联电阻Rg及栅射电阻Rge

为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极上的电压尖脉冲，须在栅极串接电阻Rg。但增大Rg会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减小Rg又会使di/dt增加，可能引发误导通或损害IGBT。由于IGBT属于压控器件，当集射极间加有高电压时,很容易受外界干扰，使栅射极电压超过导通时的门槛电压，引起器件误导通，尤其是在桥式逆变器中易造成桥臂直通。为防这类现象发生，应在栅射极间并接30kΩ左右的电阻Rge。

2.3 驱动电路的电源

驱动电路的电源应稳定，应有足够的功率，以满足栅极对驱动功率的要求，能提供足够高的正负栅压。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立，以减小相互间的干扰。

日本FUJI公司的EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。

3 驱动芯片EXB841  

图2是EXB841的内部原理图，其主要有3个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和保护动作过程。保护动作过程是根据IGBT开通期间其集射极间电压Uce的大小判定是否发生过流而进行保护的。当IGBT开通时，若发生短路，Uce上升很多，会使得D7截止，EXB841的脚6“悬空”，B点和C点电位开始上升；当上升至13V时，VZ1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，D6导通，从而使IGBT的集射极间电压Uge下降，实现缓关断，完成EXB841对IGBT的保护。作为IGBT的驱动芯片，EXB841有着众多的优点，但也存在着下列不足。  


  
图2 EXB841内部原理图