臭氧電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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關(guān)鍵詞：臭氧電源；IGBT；EXB841
O 引言
用介質(zhì)阻擋放電法(DBD法)的大功率臭氧發(fā)生設(shè)備已廣泛應(yīng)用于自來(lái)水、泳池水處理以及污廢水的深度處理，在提高生活用水質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。臭氧發(fā)生設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)是用IGBT實(shí)現(xiàn)的高壓逆變電源，而IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)與保護(hù)是高性能電源的重要保障。JGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片EXB841，具有正負(fù)偏壓、過(guò)流檢測(cè)、故障保護(hù)和軟關(guān)斷等主要功能特征，在300A容量以下的IGBT驅(qū)動(dòng)中得到了廣泛應(yīng)用。但它存在著許多不足，有待進(jìn)一步完善與改進(jìn)，以便更好地滿足IGBT、的驅(qū)動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)IGBT驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)化。本文結(jié)合研制的大功率DBD型臭氧電源，在探討IGBT的驅(qū)動(dòng)要求和EXB84l在應(yīng)用中的不足的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計(jì)了一種新的基于EXB841的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。臭氧逆變電源的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果說(shuō)明該設(shè)計(jì)是合適的，不僅克服了原EXB841典型應(yīng)用的不足，而且還極大地改善了IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)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(gè)系統(tǒng)由主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路、晶閘管智能模塊觸發(fā)電路、保護(hù)電路和軟啟動(dòng)電路。根據(jù)介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生臭氧的機(jī)理，臭氧發(fā)生器可等效為由Cd(介質(zhì)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(duì)于供電電源來(lái)說(shuō)，發(fā)生器是一非線性容性負(fù)載。
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(guò)熱、過(guò)流、缺相保護(hù)功能，使用起來(lái)非常方便。電容C1很大，因而直流輸入可近似地等效為一個(gè)電壓源，電感L主要起平波作用。電源的功率調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)全控整流橋晶閘管的觸發(fā)角a來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jīng)中頻升壓變壓器升壓后給臭氧發(fā)生器供電。S1一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(shù)使逆變橋工作頻率接近于負(fù)載偕振頻率，即準(zhǔn)諧振狀態(tài)，負(fù)載由補(bǔ)償電感Ls(包括變壓器漏感)和臭氧發(fā)生器串聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的補(bǔ)償。
2 IGBT的驅(qū)動(dòng)要求
IGBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件。IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路電流能力及dv／dt等參數(shù)，并決定了lGBT的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。因此，在使用IGBT時(shí)，最重要的就是要設(shè)計(jì)好驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路。IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求。
2.1 柵極驅(qū)動(dòng)電壓U
由于IGBT開(kāi)關(guān)速度較高，關(guān)斷時(shí)很高的di／dt將在分布電感上產(chǎn)生較高的關(guān)斷浪涌電壓，其值可能超過(guò)IGBT的集射極間耐壓值而造成器件損壞。當(dāng)Uge增加時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)下的集射極電壓Uce減小，開(kāi)通損耗下降，但也會(huì)使IGBT承受短路電流的時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)電壓增大。因此，Uge的選擇應(yīng)折衷考慮。為保證IGBT在集射極間出現(xiàn)dv／dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓。特別應(yīng)當(dāng)注意，若這個(gè)負(fù)電壓值太小，集電極電壓變化率dv／dt可能使管子誤導(dǎo)通或不能關(guān)斷。
2．2 柵極串聯(lián)電阻Rg及柵射電阻Rgt
為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少1GBT集電極上的電壓尖脈沖，須在柵極串接電阻Rμ。但增大Rg會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加；而減小Rg又會(huì)使di／dt增加，可能引發(fā)誤導(dǎo)通或損害IGBT。由于lGBT屬于壓控器件，當(dāng)集射極間加有高電壓時(shí)，很容易受外界干擾，使柵射極電壓超過(guò)導(dǎo)通時(shí)的門(mén)檻電壓，引起器件誤導(dǎo)通，尤其是在橋式逆變器中易造成橋臂直通。為防這類(lèi)現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)在柵射極間并接30 kΩ左右的電阻Rge。
2.3 驅(qū)動(dòng)電路的電源
驅(qū)動(dòng)電路的電源應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)有足夠的功率，以滿足柵極對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求，能提供足夠高的正負(fù)柵壓。在大電流應(yīng)用場(chǎng)合，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路最好都采用獨(dú)立的分立絕緣電源。驅(qū)動(dòng)電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨(dú)立，以減小相互問(wèn)的干擾。
日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過(guò)流檢測(cè)、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性，是一種比較典型的驅(qū)動(dòng)電路。其功能比較完善，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。
3 驅(qū)動(dòng)芯片ExB84l
圖2是EXB841的內(nèi)部原理圖，其主要有3個(gè)工作過(guò)程：正常開(kāi)通過(guò)程、正常關(guān)斷過(guò)程和保護(hù)動(dòng)作過(guò)程。保護(hù)動(dòng)作過(guò)程是根據(jù)IGBT開(kāi)通期間其集射極間電壓Uce的大小判定是否發(fā)生過(guò)流而進(jìn)行保護(hù)的。當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，若發(fā)生短路，Uce上升很多，會(huì)使得D7截止，EXB841的腳6“懸空”，B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開(kāi)始上升；當(dāng)上升至13V時(shí)，VZ1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過(guò)R7和V3放電，E點(diǎn)的電壓逐漸下降，D6導(dǎo)通，從而使IGBT的集射極間電壓Uge下降，實(shí)現(xiàn)緩關(guān)斷，完成EXB841對(duì)IGBT的保護(hù)。作為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，EXB84l有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著下列不足。
3．1 過(guò)流保護(hù)閾值太高
過(guò)流保護(hù)的閾值設(shè)置不合理。ExB84l判定過(guò)流的主要依據(jù)是腳6電壓。腳6電壓不僅和Uce有關(guān)，還和D7的導(dǎo)通電壓有關(guān)。由于D7在O 5～0．6V時(shí)即可開(kāi)通，故可知過(guò)流時(shí)Uce約為7 5V(=13—5—0.5=7．5v)。而通常IGBT在通過(guò)額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降約為3．5V，當(dāng)Uce=7．5V時(shí)IGBT已嚴(yán)重過(guò)流。
3．2 負(fù)偏壓不足
負(fù)偏壓偏低是EXB84l的一個(gè)致命弱點(diǎn)。EXB841設(shè)置負(fù)柵壓是為了防止較高dv／dt而引起ICBT誤動(dòng)作。但在高壓大電流時(shí)，開(kāi)關(guān)管通斷會(huì)在負(fù)柵壓信號(hào)中產(chǎn)生很大的干擾尖刺，使截止的lGBT誤導(dǎo)通。對(duì)于全橋電路則存在直通的可能，因而有必要適當(dāng)提高負(fù)偏壓。實(shí)際表明，在合理布局的基礎(chǔ)上，一般須采用8V左右的負(fù)偏壓才能滿足要求。
3．3 存在虛假過(guò)流
一般大功率IGBT的導(dǎo)通時(shí)間ton在lμs左右，但其尾部電壓下降是較慢的。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電源電壓較高時(shí)，Uce下降至飽和導(dǎo)通壓降通常約需4～5μs，而過(guò)流檢測(cè)的延遲時(shí)間約為2．7μs，于是在使用中往往會(huì)出現(xiàn)虛假過(guò)流。因而腳5輸出信號(hào)應(yīng)延時(shí)5μs，以識(shí)別真假過(guò)流，并使真正過(guò)流在內(nèi)部軟關(guān)斷后才封鎖PWM信號(hào)。
3.4 過(guò)流保護(hù)無(wú)自鎖功能
在過(guò)流保護(hù)時(shí)，只具有當(dāng)前脈沖軟關(guān)斷功能，而不是完全關(guān)閉。如果存在過(guò)流，它只能把正常的驅(qū)動(dòng)信號(hào)變成一系列降幅脈沖，連續(xù)工作亦可能導(dǎo)致器件損壞。這就需在過(guò)流檢測(cè)時(shí)，當(dāng)防誤觸發(fā)和保證軟關(guān)斷后，必須能自動(dòng)鎖定過(guò)流信號(hào)，同時(shí)終止其輸出。
4 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)
針對(duì)上述EXB84l典型應(yīng)用中存在的不足，在設(shè)計(jì)臭氧逆變電源中，研究與設(shè)計(jì)了基于EXB841的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。
輔助電源電壓采用24V。這是因?yàn)樨?fù)偏壓影響保護(hù)特性，負(fù)偏壓和保護(hù)閾值電壓之和不得高于1 3V，否則將被視為過(guò)流狀態(tài)而不能正常工作。為降低保護(hù)閾值電壓，即過(guò)流時(shí)的Uce值，可通過(guò)外接穩(wěn)壓管提高負(fù)偏壓，這時(shí)正向驅(qū)動(dòng)電壓將下降，因此，為保證正向驅(qū)動(dòng)電壓而適當(dāng)?shù)靥岣吡穗娫措妷骸?BR>
外接辦法是斷開(kāi)EXB841的腳l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EXB84l內(nèi)部的穩(wěn)壓管VZa，此時(shí)應(yīng)使穩(wěn)壓管兩端并有電容，同時(shí)也須根據(jù)穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值適當(dāng)調(diào)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O 33μF。為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，在柵射極問(wèn)并接了兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。
對(duì)于偏高的保護(hù)動(dòng)作閾值難以起到有效的保護(hù)作用，除用短路等輔助保護(hù)外，仍須配合電流傳感器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。為了適當(dāng)降低動(dòng)作閾值，已提出過(guò)采用高壓降檢測(cè)二極管或采用串接反向穩(wěn)壓管及二極管的方法，但其調(diào)整受到較大限制。而本改進(jìn)電路不僅可使實(shí)際過(guò)載電流小于IGBT的極限過(guò)載電流，而且還實(shí)現(xiàn)了保護(hù)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)和較準(zhǔn)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I(mǎi)GBT集電極高電壓尖脈沖，須在柵極串聯(lián)電阻Rgo但是，在開(kāi)通IGBT時(shí)，Rg增大會(huì)使IGBT的導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加，因此需要減小Rg；而在關(guān)斷IGBT時(shí)，由于(dv／dt較大，會(huì)導(dǎo)致IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)，因此需要增大Rg以延}乏關(guān)斷時(shí)間，減小過(guò)電壓。為此對(duì)電路進(jìn)行了部分改進(jìn)，采用了不對(duì)稱的開(kāi)啟和關(guān)斷的方法。如圖3所示，在IGBT開(kāi)通時(shí)，EXB841的腳3提供+15V觸發(fā)電壓，此時(shí)兩個(gè)電阻并聯(lián)使Rg值較小，在IGBT關(guān)斷時(shí)，EXB841提供一8V電壓，此時(shí)二極管D1截止，Rg=Rg2值較大，可以增大關(guān)斷時(shí)間，減小過(guò)電壓。當(dāng)然，Rg阻值的增加會(huì)加大[GBT的開(kāi)關(guān)損耗，因此，要合理選擇Rg1和Rg2的阻值。
對(duì)于EXB84l驅(qū)動(dòng)中產(chǎn)生的虛假過(guò)流以及無(wú)過(guò)流自鎖，如圖3所示，可通過(guò)外接光耦將信號(hào)傳輸給外部保護(hù)電路，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)以防止誤動(dòng)作和保證進(jìn)行軟關(guān)斷后由觸發(fā)器鎖定。延時(shí)是為了使lGBT軟關(guān)斷后再停止觸發(fā)信號(hào)，避免了立即停止觸發(fā)信號(hào)造成硬關(guān)斷，同時(shí)還極大地提高了抗虛假過(guò)流的能力。本鎖定保護(hù)電路其工作原理是：當(dāng)過(guò)流檢測(cè)信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，過(guò)流高速比較器LM319輸出高電平，電容C2通過(guò)R7充電，若LM393持續(xù)低電平時(shí)間大于設(shè)定保護(hù)時(shí)間(一般是5tμs)，穩(wěn)壓管VD1被擊穿，三極管Q2飽和導(dǎo)通，輸出低電平，經(jīng)R—S觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)、鎖定，并送至SG：3525的腳10，停止PWM波輸出。由于EXB84l的腳5被置為低電平，IGBT在此過(guò)程中緩關(guān)斷。若是EXB84l誤觸發(fā)，則自動(dòng)恢復(fù)到工作狀態(tài)。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示，反向關(guān)斷電壓為一7．8V，正向驅(qū)動(dòng)電壓為15．2V，正負(fù)偏壓同時(shí)得到了調(diào)整，且波形呈規(guī)則的矩形波。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)若穩(wěn)壓管兩端未并接電容，則正向驅(qū)動(dòng)電壓上升沿仍然很陡，而由正向驅(qū)動(dòng)電壓向反向關(guān)斷電壓切換時(shí)，先有一很陡的快速F降過(guò)程，接近0V時(shí)，經(jīng)過(guò)緩慢的過(guò)渡過(guò)程才達(dá)到穩(wěn)態(tài)反向關(guān)斷電壓。這是由于反向充電時(shí)間常數(shù)過(guò)大引起的。
原EXB84l典型驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到臭氧電源時(shí)，電源系統(tǒng)極易m現(xiàn)故障，表現(xiàn)為：由于負(fù)偏壓不足，導(dǎo)致內(nèi)部穩(wěn)壓管損壞；在橋式電路中，lGBT發(fā)生直通現(xiàn)象，IGBT經(jīng)常炸毀；由于臭氧電源中強(qiáng)電磁干擾的存在，致使EXB84l在電流較小時(shí)就產(chǎn)生虛假過(guò)流故障報(bào)警，使得設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，從而使保護(hù)功能失效。改進(jìn)后的優(yōu)化電路使以上幾種故障均得以消除，設(shè)備能長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行。從驅(qū)動(dòng)波形看，正負(fù)偏壓均得到了提高。同時(shí)，由于用外接穩(wěn)壓管替代r內(nèi)部穩(wěn)壓管，故在產(chǎn)生故障時(shí)， 一般只是燒毀外接穩(wěn)壓管，從而保護(hù)了FXB841，降低了設(shè)備的維修成本．圖5為該臭氧設(shè)備正常運(yùn)行(準(zhǔn)諧振狀態(tài))時(shí)的電壓電流波形，黑色波形為放電電流波形。
6 結(jié)語(yǔ)
EXB841改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)電路具有較好的實(shí)用性，既提高了EXB84l驅(qū)動(dòng)能力，又具有很強(qiáng)的過(guò)流信號(hào)識(shí)別功能，從而對(duì)過(guò)流真正起到了保護(hù)作用。將改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到臭氧電源后，電源性能得到大幅度提高，滿足r高濃度、高產(chǎn)量臭氧發(fā)生器的要求。本文對(duì)于合理應(yīng)用EXB841設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路，有著較大的參考價(jià)值。
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