‘电气开关>(2009．No．5) 文章编号：1004—289X{2009)05-0025—03 基于EXB841的IGBT驱动电路设计 肖广大1’2，闫强华1，王建民2，董2，严仲明2，王豫2 (1．磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，西南交通大学，四川 成都610031；2．西南交通大 学超导研究开发中心，西南交通大学，四川 成都610031) 摘要：电力电子器件中，IGBT的综合性能方面占有明显优势，并广泛地运用在各类电力变换装置中。然而如何 有效地驱动并保护IGBT，成为电力电子领域中的重要研究课题之一。设计了基于EXB841的驱动电路，结合实 际运行过程中出现的故障，不断调整电路，最终完善了IGBT的驱动与保护性能，具有很好的实用性。 关键词：IGBT；EXB841；驱动电路；保护电路 文献标识码：B 中图分类号：TMl3 Design of IGBT§Drive Circuit Based on EXB841 XIAO Guang-dal，一，YAN Qiang．hual，WANG Jian．mi矛，DONG Lian92，YAN Zhong．mi好，WANG蝣 (1．MOE．Key Lab of M嘲er Technology and Vehicle，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031， China；2．Superconductivity R＆D Center，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China) Abstract：In power and dectronic elecvices，the combination property of IGBT has clear superiorty，which is widely used variour electric equipment．However，now to drive and protect IGBT effectively has become one of the important tasks in power and electronic fields．Design the drive circuit based 013 EXB841，combine practical operation faults untermpting adjusting the circuits．The drive and protection performance of IGBT a阳finally perfected． Key words：IGBT；EXB841；drive circuit；protection circuit 1 引言 2 EXB841的工作原理 绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种由双极型晶体 管与MOSFET组合的器件，它既有MOSFET的栅极电 压控制快速开关特性，又具有双极型晶体管大电流处 理能力和低饱和压降的特点。但IGBT的门极驱动电 路影响其通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电 流能力等参数，决定了IGBT的静态与动态特性。因 此，使用IGBT最重要的工作是设计驱动与保护电路。 驱动IGBT的电路应根据栅极对驱动信号的要 求，具备下列性质：(1)驱动电路应具有较强的动态驱 动能力，能为IGBT栅极提供陡峭前后沿的驱动脉冲； (2)能向IGBT提供适当的正向或反向栅压；(3)驱动 电路应有足够的输入输出电隔离能力；(4)理想的驱 动电路要求输入输出信号传输无延时；(5)驱动电路 应具有一些基本的保护和自保护功能。 万方数据 EXB841是日本富士公司提供的快速型IGBT驱 动专用模块，整个电路延迟时间不超过1；xs，最高工作 频率达加一50kHz，只需外部提供一个+20V单电源， 内部产生一个一5V反偏压，模块采用高速光耦隔离。 EXB841主要由放大电路、过流保护、5V基准电压和输 出等部分组成，内部结构如图1所示。 图1 EXB841内部结构图 

(1)导通过程 EXB841输入端15和14管脚有10mA的电流流 过时，光耦TLP550导通，A点电位迅速下降至0V，使 K、E截止；K截止使D点电位上升至20V，K导通 K截止，同时稳压二极管VZ2工作使F点电位为5V， EXB841的3和1管脚输出15V电压，驱动IGBT迅速 导通。IGBT的‰下降至3V，与此同时，EXB841的 +20V电源通过尺3向电容c2充电，电位上升到13V 的时间为2．549z，由于IGBT约l炉后已导通，从而使 EXB841的6管脚电位箝制在8V左右，因此电容c2 充电至8V，稳压VZl的稳压值为13V，IGBT正常导通 时其不被击穿。 (2)关断过程 当控制电路使EXB841输入端15和14管脚无电 流流过，光耦TLP550截止，A点电位上升，K、K导 通，K导通使K截止、K导通，3号管脚的电位为0V， IGBT栅极电荷通过K迅速放电，稳压二极管VZ2工 作使F点电位为5V，EXB841的3和l管脚输出一5V 电压使IGBT迅速关断。 (3)保护过程 设IGBT正常导通，则EXB841中K和K截止， K导通，K截止，B点和C点电位稳定在8V左右， VZl不被击穿，坞不通，二极管VD6截止，E点电位保 持在20V。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱 和，％上升很多，二极管VD7截止，EXB841的6管脚 “悬空”，B点和C点电位由8V上升至13V时，VZl 被击穿，％导通，C。通过R，和K放电，E点电位逐渐 下降，二极管VD6导通使D点电位逐渐下降，从而使 EXB841的3管脚电位也逐步下降，慢慢关断IGBT。 3驱动电路设计及故障分析 本文的IGBT接收到放电信号后，开关快速动作， 作为电容器快速释能的闭合开关。初次设计的驱动电 路如图2所示。 图2 IGBT驱动电路设计 图中的相关器件说明：‰：20V；Rl：51011；RG： 万方数据 <电气开关)(2009．No．5 J lOQ；尺3：10kfl；C1：47斗F；C2：47IxF；R4：4．7kfl；VD7： ERA 34—10：D1：lN4733A；D2：lN4744A。按图2所 示搭建了IGBT驱动电路，在此，IGBT只执行单次动 作。进行了大量的实验，出现的故障总结如下： (1)EXB841的2号和9号管脚间的电容C。爆炸 EXB841的2号和9号管脚的电容器，用于吸引电 源接线附抗引起的供电电压变化，在驱动芯片电源开 启的瞬间爆炸。经检查，额定电压为25V的电容极性 接法正确，但EXB841驱动芯片电源开启瞬间，电源电 压振荡，另外，电容器C。和EXB841芯片及电阻R2的 距离较近，使其有明显的发热迹象，两者同时作用，导 致电容器过压、过热爆炸。 (2)EXB841内部1号和9号管脚内的稳压二极 管损坏 在EXB841中，l号和9号管脚间的稳压二极管 VZ2的额定功率为0．5W，其损坏后，l号管脚不能提 供5V的电位，此时EXB841输出的开通信号和关断信 号分别约为20V和0V。从图1可以看出，利用 EXB841搭建IGBT的驱动电路，在开通或关断的状态 变化过程中，3号和1号管脚间的电压变化达到20V， 根据稳压管和电容的伏安特性，该充电电流几乎全部 流过VZ2。此时，VZ2的最大瞬态功耗将近5W，远大 于其额定功耗0．5W。因此，输出栅压变化瞬间容易 造成稳压管的损坏。 EXB841内部l号和9号管脚间的稳压二级管损 坏后，将EXB841的1号管脚悬空，通过外部电路，利 用5W的7805提供稳定的5V电位。如图3所示，这 样稳压二极管VZ2已被击穿的EXB841通过外部电路 的改进又可以正常使用。 (3)主电路电压超过12V时，驱动电路始终发出 关断信号 IGBT能抵抗仅10us的短路过流，所以必须有极 快的保护电路，EXB841内装有一个过流保护电路。 按照驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流，但 当集电极电位高于门极电位时，虽然加入开信号也认 为存在过流。 ％的过流识别值为7—7．5V，按图2设计驱动电 路，当主电路电源电压达到12V，驱动电路发出开通信 号时，E点的电位为5V，G点的电位为20V，过流保护 C点电位为12—12．5V，若此时。二极管VD7不能快速 的导通，EXB841误认为存在过流，发出信号控制IGBT 关断。 

<电气开关>(2009．No．5) 4改进电路及分析 根据图l和对其工作原理分析可知，EXB841本 身所谓的保护仅是通过二极管VD7来检测IGBT的集 射间的电压降来控制的，故EXB841有三个致命缺点： (1)二极管VD7与IGBT的集电极相连，也就是与强 电相连，在实际应用场合，VD7经常被强电高压击穿， EXB841和控制板被烧坏；(2)仅对短路情况下才能检 测，对于一般过载不起作用；过流保护阀值太高，％过 流识别值为7—7．5V时，IGBT将严重过流而使性能严 重下降或损坏。(3)提供一5V偏压的VZ2稳压管易 损坏，导致EXB841无法正常使用。由于图2的IGBT 驱动电路存在诸多缺点，实验过程中出现了许多故障， 为实现驱动电路稳定工作，提出基于EXB841的改进 驱动电路，如图3所示。 信号 图3 EXB841改进驱动电路图 EXB841驱动改进电路如图3所示，将EXB841的 l号管脚悬空不用，外接稳压管7805(134)和限流电阻 R：在2和9号管脚之间，驱动信号的E极从稳压管 D4和限流电阻尺2之间引出，这样即使EXB841内部 稳压管损坏也可以正常工作。 驱动电路中使用电流传感器监测主电路中的电流 波形，将电流传感器的电压输出信号接LM358放大器 的同相输入端，该信号与放大器的反相输入端的设定 值进行比较，当负载短路时，电流传感器的电压信号大 于设定值，放大器输出高电位，光电耦合器TLP560输 出高电位，使EXB841的6端“悬空”，慢关断IGBT。起 到短路保护作用。 5结束语 参考文献 [1】胡俊迭．IGBT的驱动与保护电路研究[J]．电机电器技术，2003， (6)：37—40． [2】 富士电机电子设备技术株式会社．富士IGBT驱动混合集成电路 使用说明书[z】．2004． [3】 丁祖军。郑建勇．等．基于EXB841的IGBT驱动电路设计夏优化 [J】．电力自动化设备，2004，24(6)：37—40． [4】孙佃升。白连平．一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计 [J】．微电机．2007，40(4)：98—100． [5】 田颗，陈培红，聂圣芳，等．功率MOSFET驱动保护电路设计与应 用[J]．电力电子技术，2005，39(1)：73—74． [6】王兆安。黄俊．电力电子技术[M】．北京：机械工业出版社，2000． [7】 用志敏，周纪海．开关电源实用技术设计与应用[M]．北京：人民 邮电出版社。2003． 【8】 张立，黄两一。王乎，等．电力电子场控器件度其应用[M】．北京： 机械工业出版社。1996． [9】 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计[M】．北京：电子工业出 版社。2005． 收稿日期：20∞一12—25 作者简介：肖广大(1983一)．男．江西九江人．硕士研究生。研究方向：应用超导夏 控箭技术。 (上接第24页) 置的输入输出时域数学模型，论证了超级电容器储能 装置的四象限运行模式，并对改善发电机运行的影响 进行了仿真，仿真结果表明超级电容器储能装置能有 效地改善发电机的动态性能，提高其稳定运行能力。 参考文献 [1]Halpin s M．Spyke R L，Nelms R M．Application 0f Double·Layer Ca- pacitor Ethnology to Static Condensen for Distribution System Voltage Con- 谳[J】．IEEETransactions on Power sy8tms，1996，11(4)：1899—1904． [2】张慧妍，韦统振，齐智平．超级电容嚣储能装置研究研究[J】．电罔 技术．2006，30(8)：92一％． [3】王云玲，曾杰．张步涵，等．基于超级电容器储能系统的动态电压 调节器[J]．电网技术，2007，31(8)158—62． [41茅靖峰，孙玉坤，吴爱华，等．静止同步补偿嚣蓑置建模、控制与仿 真研究[J]．系统仿真学报．2007。19(10)，2332-2336． [5】姜齐荣，谢小荣，陈建业．电力系统并联补偿一结构、原理、控制与 应用[M]．北京：机械出版社，2004． [6】李啸骢。程时杰，韦化．等．榆出函数在多输入多输出非线性控制 系统设计中的重要作用[J】．中国电机工程学报． 基于对IGBT专用的高速驱动模块EXB841的分 析研究，设计了一套电容器快速放电的闭合开关IGBT 的驱动电路，分析实验过程中出现的故障，提出了一套 基于EXB841的改进驱动电路，通过实验不断调整优 化驱动电路。完善了基于EXB841的IGBT驱动电路。 收稿日期：2009—03一04 作者简介：邓旷笑(1983一)。男．硕士．研究方向为电力系统控制与动态仿真； 李啸骢f1959一J。男，博士．教授．博士生导师，研究方向为电力系统动 态仿真夏计算机实时控镧．电力系统非线性控制、电力系统预测控翻； 邹智慧(1983一J．男．硕士。研究方向为电力系统控崩与缝电保护； 李文涛(1982一)．男．硕士．研究方向为电力系统控制与动态仿真。 万方数据 

基于EXB841的IGBT驱动电路设计 作者： 肖广大， 闫强华， 王建民， 董亮， 严仲明， 王豫， XIAO Guang-da， YAN Qiang-hua 作者单位： 肖广大,XIAO Guang-da(磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学,四川,成都 ， WANG Jian-min， DONG Liang， YAN Zhong-ming， WANG Yu ,610031;西南交通大学超导研究开发中心,西南交通大学,四川,成都,610031)， 闫强华,YAN Qiang-hua(磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,西南交通大学,四川,成都,610031)， 王 建民,董亮,严仲明,王豫,WANG Jian-min,DONG Liang,YAN Zhong-ming,WANG Yu(西南交通大 学超导研究开发中心,西南交通大学,四川,成都,610031) 刊名： 电气开关 英文刊名： ELECTRIC SWITCHGEAR 年，卷(期)： 2009，47(5) 0次 引用次数： 参考文献(9条) 1.胡俊这 IGBT的驱动与保护电路研究 2003(6) 2.富士电机电子设备技术株式会社 富士IGBT驱动混合集成电路使用说明书 2004 3.丁祖军.郑建勇 基于EXB841的IGBT驱动电路设计及优化 2004(6) 4.孙佃升.白连平 一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计 2007(4) 5.田颖.陈培红.聂圣芳 功率MOSFET驱动保护电路设计与应用 2005(1) 6.王兆安.黄俊 电力电子技术 2000 7.用志敏.周纪海 开关电源实用技术设计与应用 2003 8.张立.黄两一.王平 电力电子场控器件及其应用 1996 9.张占松.蔡宣三 开关电源的原理与设计 2005 相似文献(10条) 1.期刊论文 赵翔.王寿增.陈伟 激光电源中基于EXB841的IGBT驱动电路设计 -光学与光电技术2010,8(1) 根据IGBT对驱动电路的各项要求,在采用专用驱动模块EXB841及带有过流保护功能的驱动电路的基础上,设计了简化的IGBT驱动电路,并提出了构建实 际驱动电路的注意事项.通过对PWM信号、IGBT动态驱动信号、IGBT开通时驱动信号上升沿、IGBT关断时驱动信号下降沿等波形的实际观测,表明此驱动电 路工作正常.该驱动电路已用于某型脉冲固体激光电源中,运行良好,可靠性较高. 2.期刊论文 芦家成.姚永刚.戚新波.LU Jia-cheng.YAO Yong-gang.QI Xin-bo IGBT的保护要求和驱动模块 EXB841的保护特性研究 -河南科学2000,18(2) 介绍了IGBT器件在过电流、过电压等非正常条件下的保护要求,并简要分析了驱动模块EXB841的电路原理及其具有的保护特性所存在的一些问题,最 后有针对性的提出了改进措施. 3.学位论文 朱宝忠 长脉冲Nd:YAG激光电源的研究 2001 该课题的研究工作是围绕着长脉冲Nd:YAG激光开关电源系统进行的,主要内容有:(1)分析了PWM全桥变换器的基本工作原理,提出了移相控制PWM全桥 变换器的控制方式,并且分析了移相控制ZVS-PWM全桥变换器的工作原理,提出了实现ZVS的策略.最后对普通PWM全桥变换器和移相控制PWM全桥变换器进行 了比较.(2)利用UC3879构成移相控制PWM全桥变换控制电路,实现了输出驱动信号的移相控制,过流保护功能.同时,简单介绍了开关管IGBT的特性和对驱动 电路的特殊要求,并且设计了以EXB841为核心器件的IGBT驱动电路.(3)采用移相控制ZVS-PWM全桥变换器拓扑结构,利用UC3879芯片构成控制电路和 EXB841构成IGBT的驱动电路,研制成功一台大功率激光开关电源系统.实现IGBTR的零电压开关,减小了开关管的开关损耗,提高了开关频率和电源的效率 ,实现了电源的高效化和小型化.(4)利用IGBT的高速开关性质,设计了IGBT直流斩波器,并提出了准长脉冲的方法. 4.期刊论文 陈长江 IGBT 驱动保护电路EXB841的应用研究 -武汉船舶职业技术学院学报2004,3(4) 分析了EXB841的工作原理,对EXB841应用问题进行了探讨.结果表明:降低过流保护阀值能够对IGBT实施可靠保护,能够延长IGBT的使用寿命;在 EXB841的9脚、1脚和2脚外接稳压管和电阻后,可以提高足够大的反向栅压,提高了IGBT的可靠性. 5.学位论文 张秀珊 移相谐振软开关逆变器的研究及应用 2004 该文针对各类逆变器的主电路形式进行了分析,提出了一种适合焊接负载的相移谐振软开关电路拓扑形式,解决了移相谐振软开关电路难以用于焊接 电源中的难题,提高了焊机的可靠性.该文对逆变器电流型控制方式和电压型控制方式进行了比较分析,认为电流型控制方式由于可以防止变压器偏磁以及 抑制IGBT的瞬态过流,因而更适合应用于焊接电源中.但输出整流侧的二极管反向恢复过程将干扰峰值电流环的稳定工作,为此该文中引入斜坡补偿信号及 二极管反向恢复消除电路,增加了峰值电流控制的稳定性.该文对IGBT的驱动电路进行了研究,在比较了常用的驱动芯片EXB841与脉冲变压器之间的区别后 认为EXB841的反应时间较慢,而脉冲变压器更有利于在峰值电流环中抑制IGBT的过电流.利用Matlab建立了主电路的仿真模型,分别对输入整流电路、逆变 电路及峰值电流环进行了仿真.结果证明,在采用峰值电流环作为逆变器核心控制的基础上,引入输入直流侧电压作为参数控制信号,可以构成输入功率因 数校正器.在合理配置参数的条件下,可以得到理想的输入电流波形,提高输入功率因数,减少谐波电流.通过调整逆变电路中的不同参数,可以使逆变器工 作在完全软开关状态及部分软开关状态.电路仿真结果与实验结果基本一致,降低了实验的工作量.将以上研究结果应用于大功率埋弧焊电源中,并解决了 埋弧焊电源中存在的并联环流问题,提高了焊机可靠性. 6.学位论文 于辉 IGBT点焊逆变电源的试验研究 1997 

对IGBT点焊逆变电源进行了较系统的研究,建立了网压补偿的数学模型,并在此基础上设计了网压补偿的单元电路.模拟测试结果表明,当网压波动 ±15%时,其焊接电流变化不超过±3%.分析了IGBT专用驱动保护模块EXB841的工作原理,提出串接快速恢复二极管提高EXB841保护效果的方法,并对主电路 中R-C-D保护过程进行讨论,对其参数选择提出了改进建议. 7.期刊论文 孟志强.陈燕东.周华安.MENG Zhi-qiang.CHEN Yan-dong.ZHOU Hua-an 基于EXB841的IGBT驱动电路优 化设计 -湖南大学学报（自然科学版）2006,33(6) 针对EXB841典型IGBT驱动保护电路中存在的不足,提出了采用外部负栅压成型电路提高负栅压、过流检测电路精确调整过流动作阈值,虚假过流故障 识别与故障信号锁存电路识别虚假过流和过流锁定等改进方法,设计了相应的优化驱动电路.优化驱动电路在臭氧发生电源中得到了应用,实际运行表明优 化驱动电路克服了EXB841典型驱动的不足,改善了IGBT的驱动与保护性能,具有很好的实用性. 8.学位论文 张相军 微机控制的软开关逆变式电阻焊机的研制 1999 通过对现有主要类型的电阻焊机进行比较,总结出各种电阻焊机的优点、发展现状、 存在的问题和发展趋势.在介绍了逆变技术的发展和常用的逆变 开关器件的特点之后 ,详细地分析了IGBT的结构、栅极控制技术、保护电路以及混合集成驱动器件EXB841 的工作原理及其不足,在此基础上提出和设计 了一套相应的改进电路.通过对主要类 型的逆变电路的工作原理的介绍和优缺点的比较,认为实现软开关是逆变电路发展的 主要方向.提出了相移谐振 PWM全桥逆变电路,并对其工作原理、工作状态以及开关转换的条件作了详细的分析,并结合电阻焊机的特点,设计了一台逆变电阻焊机.逆变 电路选取 IGBT作为开关管,IGBT驱动电路选用EXB841,采用了移相谐振全桥PWM的调制、控制策略,试验证明,改进的EXB841驱动电路对IGBT的驱动、控制、和过流保 护工 作非常可靠,实现了IGBT的零电压通断.通过比较逆变电阻焊机的各种控制核心和对 工业控制机的发及技术特点的分析,选用工业控制机作为焊机控 制核心,编制了焊机 控制程序及便于交流的人机界面,可以很方便地调节包括逆变频率、占空比、焊接周 波数、以及死区时间等在内的焊机参数.分析了 零电压实现的条件和各个开关管的通 断时刻的条件,提出了在逆变电阻焊机中实现零电压的方法.对在逆变电阻焊机上实 现软开关通断有一定的指导意 义. 9.期刊论文 孙佃升.白连平.SUN Dian-sheng.BAI Lian-ping 一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计 -微电机 2007,40(6) 叙述了绝缘栅双极型晶体管IGBT对驱动和保护电路的要求以及设计其驱动和保护电路时应注意的问题.以EXB841为例,介绍了一种实用的功率IGBT驱 动和保护电路.该电路具有很好的性能. 10.学位论文 陈燕东 串联谐振式氧气型臭氧发生系统关键技术研究 2006 本文以串联谐振式氧气型臭氧发生系统为研究对象，在综述了国内外臭氧发生技术的现状与最新成果基础上，针对该系统的几项关键技术进行了系 统的研究与设计，主要工作为： 1.运用状态空间描述法研究了感性工况下移相PWM控制串联谐振式臭氧电源在供电模态和环流模态两种工况下的时域波形，得到了各工况的电气特性 的数学表达式，建立了电源系统模型的统一描述，得出了移相调节特性，并结合实例利用Matlab建立了仿真模型，仿真结果表明了理论的正确性。 2.在对臭氧发生装置的控制过程作了较深入分析基础上，采用LPC2129作为装置整体控制的核心，设计了基于ARM的氧气型臭氧发生装置控制系统 ，该系统还具有数据备份功能，可通过USB接口读取历史数据，和通过CAN总线接口实现工业远程监控。 3.研究了大功率制氧机控制系统的单片机实现方法，详细阐述了制氧机控制系统的软硬件设计过程。 4.研究与设计了一种新型的移相PWM控制数字化臭氧电源，该电源的关键技术在于采用频率跟踪技术跟踪负载电流的变化，使电源工作在感性准谐振 状态，并利用LPC2129的PWM控制器实现了死区时间自动可调的移相PWM输出，使IGBT实现了ZVS和ZCS，又满足了功率输出可调的要求。 5.研究了利用在系统可编程模拟器件ispPAC10实现负载电流双二阶有源滤波的方法，给出了设计电路，仿真结果表明了设计的正确性。 6.针对EXB841典型驱动的不足，提出了用外接稳压管替代EXB841内部稳压管提高负栅压，用锁定保护电路防止虚假过流和锁定过流，在IGBT通断时 接入不同的栅极串联电阻等改进方法，设计了优化驱动电路。实验结果表明：优化电路克服了原EXB841典型驱动的不足，极大地改善了IGBT的驱动与保 护性能，具有实用价值。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dqkg200905009.aspx 下载时间：2010年5月10日