臭氧电源驱动保护电路的设计与实现

3.1 过流保护阈值太高

过流保护的阈值设置不合理。EXB841判定过流的主要依据是脚6电压。脚6电压不仅和Uce有关，还和D7的导通电压有关。由于D7在0.5～0.6V时即可开通，故可知过流时Uce约为7.5V（=13－5－0.5=7.5V）。而通常IGBT在通过额定电流时导通压降约为3.5V，当Uce=7.5V时IGBT已严重过流。

3.2 负偏压不足

负偏压偏低是EXB841的一个致命弱点。EXB841设置负栅压是为了防止较高dv/dt而引起IGBT误动作。但在高压大电流时，开关管通断会在负栅压信号中产生很大的干扰尖刺，使截止的IGBT误导通。对于全桥电路则存在直通的可能，因而有必要适当提高负偏压。实际表明，在合理布局的基础上，一般须采用8V左右的负偏压才能满足要求。

3.3 存在虚假过流

一般大功率IGBT的导通时间ton在1μs左右，但其尾部电压下降是较慢的。实验表明，当电源电压较高时，Uce下降至饱和导通压降通常约需4～5μs，而过流检测的延迟时间约为2.7μs，于是在使用中往往会出现虚假过流。因而脚5输出信号应延时5μs，以识别真假过流，并使真正过流在内部软关断后才封锁PWM信号。

3.4 过流保护无自锁功能

在过流保护时，只具有当前脉冲软关断功能，而不是完全关闭。如果存在过流，它只能把正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲，连续工作亦可能导致器件损坏。这就需在过流检测时，当防误触发和保证软关断后，必须能自动锁定过流信号，同时终止其输出。

4 驱动电路优化设计

针对上述EXB841典型应用中存在的不足，在设计臭氧逆变电源中，研究与设计了基于EXB841的优化驱动电路，如图3所示。


图3 EXB841的优化设计电路

辅助电源电压采用24V。这是因为负偏压影响保护特性，负偏压和保护阈值电压之和不得高于13V，否则将被视为过流状态而不能正常工作。为降低保护阈值电压，即过流时的Uce值，可通过外接稳压管提高负偏压，这时正向驱动电压将下降，因此，为保证正向驱动电压而适当地提高了电源电压。

外接办法是断开EXB841的脚1与IGBT发射极E间的连线，如图3所示，用外接的稳压管代替EXB841内部的稳压管VZ2，此时应使稳压管两端并有电容，同时也须根据稳压管的稳压值适当调整其所在支路的限流电阻。本电路选用了稳压值为8V的稳压管，限流电阻4.7kΩ，稳压管
两端并联电容为0.33μF。为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅射极间并接了两只反向串联的稳压二极管。

对于偏高的保护动作阈值难以起到有效的保护作用，除用短路等辅助保护外，仍须配合电流传感器进行过流保护。为了适当降低动作阈值，已提出过采用高压降检测二极管或采用串接反向稳压管及二极管的方法，但其调整受到较大限制。而本改进电路不仅可使实际过载电流小于IGBT的极限过载电流，而且还实现了保护电压的连续调节和较准确控制。

为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡以及减少IGBT集电极高电压尖脉冲，须在栅极串联电阻Rg。但是，在开通IGBT时，Rg增大会使IGBT的导通时间延长，能耗增加，因此需要减小Rg；而在关断IGBT时，由于dv/dt较大，会导致IGBT发生擎住效应，因此需要增大Rg以延长关断时间，减小过电压。为此对电路进行了部分改进，采用了不对称的开启和关断的方法。如图3所示，在IGBT开通时，EXB841的脚3提供＋15V触发电压，此时两个电阻并联使Rg值较小，在IGBT关断时，EXB841提供－8V电压，此时二极管D1截止，Rg=Rg2值较大，可以增大关断时间，减小过电压。当然，Rg阻值的增加会加大IGBT的开关损耗，因此，要合理选择Rg1和Rg2的阻值。

对于EXB841驱动中产生的虚假过流以及无过流自锁，如图3所示，可通过外接光耦将信号传输给外部保护电路，经过一定延时以防止误动作和保证进行软关断后由触发器锁定。延时是为了使IGBT软关断后再停止触发信号，避免了立即停止触发信号造成硬关断，同时还极大地提高了抗虚假过流的能力。本锁定保护电路其工作原理是：当过流检测信号超过设定值时，过流高速比较器LM319输出高电平，电容C2通过R7充电，若LM393持续低电平时间大于设定保护时间（一般是5μs），稳压管VD1被击穿，三极管Q2饱和导通，输出低电平，经R－S触发器翻转、锁定，并送至SG3525的脚10，停止PWM波输出。由于EXB841的脚5被置为低电平，IGBT在此过程中缓关断。若是EXB841误触发，则自动恢复到工作状态。

5 实验结果  

实验驱动波形如图4所示，反向关断电压为－7.8V，正向驱动电压为15.2V，正负偏压同时得到了调整，且波形呈规则的矩形波。实验中还发现若稳压管两端未并接电容，则正向驱动电压上升沿仍然很陡，而由正向驱动电压向反向关断电压切换时，先有一很陡的快速下降过程，接近0V时，经过缓慢的过渡过程才达到稳态反向关断电压。这是由于反向充电时间常数过大引起的。  


  
(a) 输入的PWM波与S1的栅极波形
(b) S1与S2的栅极波形
图4 驱动优化电路实验波形  

原EXB841典型驱动电路应用到臭氧电源时，电源系统极易出现故障，表现为：由于负偏压不足，导致内部稳压管损坏；在桥式电路中，IGBT发生直通现象，IGBT经常炸毁；由于臭氧电源中强电磁干扰的存在，致使EXB841在电流较小时就产生虚假过流故障报警，使得设备无法正常运行，从而使保护功能失效。改进后的优化电路使以上几种故障均得以消除，设备能长时间可靠运行。从驱动波形看，正负偏压均得到了提高。同时，由于用外接稳压管替代了内部稳压管，故在产生故障时，一般只是烧毁外接稳压管，从而保护了EXB841，降低了设备的维修成本。图5为该臭氧设备正常运行（准谐振状态）时的电压电流波形，黑色波形为放电电流波形。


  
图5 发生器两端的电压与变压器副边电流波形（放电）