大功率IGBT专用驱动器EXB841

・郝　威　　　周学军　　　夏　栋・

摘　　要　　本文介绍了集成化ＩＧＢＴ专用驱动器ＥＸＢ８４１的特点、典型应用及使用中应注意的问题，并对在“海缆无源探测研

究”课题中使用该器件出现的问题进行了分析，给出了改进后的电路及实验结果。

近年来，新型功率开关器件ＩＧＢＴ已逐渐被人们所认识。它具有输入阻抗高、驱动功率小、开关损耗小、工作电压低等特点。与以前的各种电子开关器件相比，ＩＧＢＴ在综合性能方面占有明显的优势，它既有功率场效应管的高速开关性能，又有双极型晶体管的高压、大电流特点，因而被广泛应用于工作频率高　，输出功率大的各类电力变换装置中。

ＩＧＢＴ　的开关作用是通过加正向栅极（上接１１页）信号，配合Ｒ、Ｇ、Ｂ三种颜色而将色彩表现出来，最终把图像投射到屏幕上。ＤＭＤ又称为固定像素显示器件，它被做成４∶３或者１６∶９的长方形，在ＤＭＤ单板芯片上的图像实际是相同的，只是很小而已（０．８英寸），所以我们通常讲ＤＭＤ的清晰度为多少水平像素×多少垂直像素，比如８００×６００、１０２４×７６８、１２８０×１０２４、１６００×１２００等。

工作过程　　　ＤＬＰ光学系统的工作过程是：ＵＨＰ灯泡发出的白色光源通过一个积分器（Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ），将光均匀化，穿过高速旋转的六色轮（Ｓｉｘ　Ｃｏｌｏｒ　Ｗｈｅｅｌ）滤光系统，将光转换为Ｒ、Ｇ、Ｂ三原色的彩色光源，再投射到ＤＭＤ芯片上经ＤＭＤ芯片上的百万个小镜片反射抵达镜头，最后由镜头将图像均匀地投射到显示屏上，从而形成我们看到的大屏幕、高清晰、高画质的图像。ＤＬＰ光学系统工作原理见附图。

特性　　（下面特性均以ＳＶＡ２００４年新上市的ＤＬＰ光显背投ＨＤＲＴＶ５５０８为例。）ＤＬＰ光显电视响应时间快，可在每秒钟传输３００张完整图像；色彩还原性好，不会发生“光学移位”；图像清晰度好（１像素＝１μｍ　）、亮度均匀；运用数字光学原理，采用纯数字电路，无高压电路，不产生Ｘ射线，实现真正零辐射：整幅画面一次形成，（面呈像）无需扫描，实现真正零闪烁；使用ＤＭＤ单芯片，不存

电压形成沟道，给ＰＮＰ晶体管提供基极

电流，使　ＩＧＢＴ　导通。反之，加反向栅极电压消除沟道，流过反向基极电流，使ＩＧＢＴ关断。

ＩＧＢＴ对驱动电路的要求

根据ＩＧＢＴ的特性，它的驱动电路应该满足以下要求：（ｌ）ＩＧＢＴ是电压驱动，具有一个２．５～５Ｖ的阈值电压，有一个容性输入

阻抗，因此，ＩＧＢＴ　对栅极电荷非常敏

感，这就要求驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与ＩＧＢＴ　的连线要尽量短。（２）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Ｖｇｅ有足够陡的前后沿，使ＩＧＢＴ的开关损耗尽量小。另外，ＩＧＢＴ　开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率使ＩＧＢＴ处于饱和状态，否则ＩＧＢＴ容易遭到损坏。

在汇聚问题，无论屏幕中心或边缘，无需

调校，图像几何形状始终保持完美；ＴＩ公司的ＤＭＤ芯片寿命长达１０万到２０万小时，使用寿命是ＬＣＤ和ＰＤＰ无法相比的；采用光显电视采用高效节能的飞利浦ＵＨＰ冷光灯，高亮度、低能耗，使用寿命可达１万小时；进口高增益，超宽可视角度的透射屏幕使水平视角可达１６６度，垂直视角在４５度以上；其重量仅有３２ｋｇ厚度仅有４０ｃｍ，对于大屏幕电视而言，基本上做到了超轻，超薄；最后，它的市场价格比起等离子电视还略有优势。轻、超薄；最后，它的市场价格比起等离子电视还略有优势。

此外，数字光显电视还具有以下技术亮点：１．采用了纯六色色轮，与原先采用的三色色轮相比极大地增强了光显电视的色彩还原能力，同时将色轮转速从６０ｒ／ｓ（×１）提高到１２０ｒ／ｓ（×２），系统速度提升４倍，时间／色由１／１８０秒提升至１／７２０秒。　ＤＭＤ芯片将１０度反射角提升到１２度，并在微镜的背部的ＤＭＤ基板上涂布显色吸光物质，将对比度提升到１０００∶１，使显色的表现能力更为突出；２．新型ＤＭＤ采用了高速双通道ＤＤＲ内存，配合双倍速６色色轮，有效地杜绝了早期ＤＬＰ光显电视的彩虹效应。使图像响应速度更快，色彩更丰富；３．新型ＤＭＤ显示芯片将发射微镜的倾斜角度从１０度提升到１２

度，同时优化了光路结构，实现了高达

∶１的对比度。即１０００ｃｄ／ｍ２的亮度和１０００

使在环境亮度较强的场所也能很好地显示色彩鲜艳的图像；４．　ＤＭＤ芯片本身具有１２８０×７２０的ＨＤＴＶ级分辨率，同时采用ＳＶＡ独立开发的多维图像处理技术ＭＤＵ（Ｍｕｌｔｉ　Ｄｒｉｖｅ　Ｕｎｉｆｙ），使普通模拟信号也提升到高精细的图像效果，还能显示从６４０×４８０ＶＧＡ直到１６００×１２００ＵＸＧＡ级分辨率的电脑信号。支持业内最高的ＨＤＴＶ规格“Ｄ５”，４８０ｉ／４８０ｐ／１０８０ｉ／７２０ｐ／１０８０ｐ，支持高清电视信号显示１０８０ｉ／７２０ｐ，全兼容各类数字和模拟视频接口。

笔者将ＳＶＡ新款ＤＬＰ光显电视ＨＤＲＴＶ５５０８与ＳＶＡ新款等离子ＰＤＰ电视４２０９ＴＩ（采用点距为０．５ｍｍ，对比度１０００ｃｄ　／　ｍ２的富士通ＡＬＩＳ等离子显示屏）相比，播放ＤＶＤ节目时，图像的清晰细腻程度和色彩的鲜艳亮丽，前者优于后者。ＤＬＰ数字光显电视与ＣＲＴ背投、ＬＣＤ　背投、ＰＤＰ电视性能比较如附表所示。

ＤＬＰ光显电视最大的缺点是：ＤＭＤ数字微反射镜芯片的制造工艺复杂，成本较高，其核心技术被ＴＩ（美国德州仪器公司）所垄断。如果ＤＭＤ微镜芯片能尽早国产化，ＤＬＰ高清晰数字光显电视的发展前景将非常壮观。◆

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（３）驱动电路要能传递几十千赫兹的脉冲信号。

（４）驱动电平＋Ｖｇｅ也必须综合考虑。＋Ｖｇｅ增大时，ＩＧＢＴ通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ｉｃ增大，ＩＧＢＴ能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中＋Ｖｇｅ应选得小些，一般为１２～１５Ｖ。（５）在关断过程中，为尽快抽取ＰＮＰ管的存储电荷，须施加一负偏Ｖｇｅ，但它受ＩＧＢＴ的Ｇ、Ｅ间最大反向耐压限制，一般取－１～－１０Ｖ。

（６）在大电感负载下，ＩＧＢＴ的开关时间不能太短，以限制ｄｉ　／　ｄｔ形成的尖峰电压，确保ＩＧＢＴ　的安全。

（７）由于ＩＧＢＴ在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。

（８）ＩＧＢＴ的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对ＩＧＢＴ的保护功能，有较强的抗干扰能力。

图１

（３）由图２可知光耦合器ＩＳ０１由＋５Ｖ

稳压管供电，这似乎简化了电路，但由于ＥＸＢ８４１的脚１接在ＩＧＢＴ的Ｅ极，ＩＧＢＴ的开通和截止会造成其电位很大的跳动，可能会有浪涌尖峰，这无疑对ＥＸＢ８４１可靠运行不利。另外，从其ＰＣＢ实际走线来看，光耦合器的脚８到稳压管ＶＺ２的走线很长，而且很靠近输出级（　Ｖ４　、Ｖ５），易受干扰。

（４）ＩＧＢＴ开通和关断时，稳压管ＶＺ２易受浪涌电压和电流冲击，易损坏。另外，从印刷电路板ＰＣＢ　实际走线看，ＶＺ２的限流电阻Ｒ１０两端分别接在ＥＸＢ８４１的脚１和脚２上，在实际电路测试时易被示波器探头等短路，从而可能损坏ＶＺ２　，使　ＥＸＢ８４１不能继续使用。

连接外部电容器，以防止过流保护电路

误动作（大多数场合不需要该电容）；脚５：过流保护输出；脚６：集电极电压监视；脚７　、８　、１０￣１３：不接；脚９：接地线；脚１４、１５：驱动信号输入（－，＋）。

ＥＸＢ８４１的原理图如图２所示。它主要由放大部分、过流保护部分和５Ｖ电压基准部分组成。它的主要特点有：（１）　ＩＧＢＴ　通常只能承受１０μｓ的短路电流，所以在ＥＸＢ系列驱动器内设有过流保护电路，实现过流检测和延时保护功能。

如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断ＩＧＢＴ（＜１０μｓ的过流不响应），从而保证ＩＧＢＴ不被损坏。而如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏ＩＧＢＴ。

（２）ＩＧＢＴ在开关过程中需要一个＋１５Ｖ电压以获得低开启电压，还需要一个－５Ｖ关栅电压以防止关断时的误动作。这两种电压均可由２０Ｖ　供电的驱动器内部电路产生。

　ＥＸＢ８４１典型应用电路及

注意事项

ＥＸＢ８４１高速型驱动器分别能驱动１５０Ａ／６００Ｖ、７５Ａ／１２００Ｖ、４００Ａ／６００Ｖ、２００Ａ／１２００Ｖ的ＩＧＢＴ，驱动电路信号延迟＜ｌμｓ　，适用于高于４０ｋＨｚ的开关电路。它的典型应用电路如图３所示，使用时应注意以下几个问题：（１）输入与输出电路应分开，即输入电路（光耦合器）接线远离输出电路，以保证有适当的绝缘强度和高的噪音阻抗。（２）使用时不应超过使用手册中给出的额定参数值。如果按照推荐的运行条件工作，ＩＧＢＴ工作情况最佳。如果使

ＥＸＢ８４１的构成及特点

目前，大电流高电压的ＩＧＢＴ　已模块

化，它的驱动电路也已集成化，如富士电机公司的ＥＸＢ系列驱动器即为集成化的ＩＧＢＴ　专用驱动电路。其中ＥＸＢ８４１为高速型（最大４０ｋＨｚ运行），其内部电路框图如图１所示。

各引脚功能如下：脚１：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚　２：电源（＋２０Ｖ）　；脚３：驱动输出；脚４：用于

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新型元器件在课题的开关实现中，多次发生ＥＸＢ８４１和ＩＧＢＴ被烧毁而使开关不能工作的现象，经测试，发现稳压管ＶＺ２被击穿短路（ＥＸＢ８４１的管脚１和管脚９短路）。致损主要原因是使用中稳压管ＶＺ２瞬态功率远大于其额定功率０．５Ｗ，因此使之损坏，进而导致ＥＸＢ８４１失效，ＩＧＢＴ被烧毁。具体分析如下：１．　稳态功耗　　　图５ａ所示为ＥＸＢ８４１的输出电路。当正反向栅压达到稳态时，由于阻值很大，栅极内几乎没有电流流

图３

用过高的驱动电压会损坏ＩＧＢＴ，而不足

的驱动电压又会增加ＩＧＢＴ的通态压降。过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，而不足的输入电流会增加ＩＧＢＴ和二极管的开关噪声。（３）ＩＧＢＴ的栅、射极回路的接线长度一定要小于１ｍ，且应使用双绞线。（４）增大ＩＧＢＴ的栅极串联电阻ＲＧ，抑制ＩＧＢＴ　集电极产生大的电压尖脉冲。

应用电路的改进

图４为海缆无源探测器的实验电路，

过。稳压管ＶＺ２的工作电流完全由＋２０Ｖ

驱动电源经６．８ｋΩ的电阻提供，其稳态功耗约为１１ｍＷ，远小于额定功耗０．５Ｗ。可见，ＥＸＢ８４１稳态输出时不会造成内置稳压管损坏。

２．　瞬态功耗　　图５ｂ所示为ＥＸＢ８４１输出正反向栅压瞬间的等效电路。由于开通前ＩＧＢＴ处于关断状态，所以，开通瞬间其栅射极间等效电容ＣＧＥ上有－５Ｖ的电压初始值。在输出正向栅压瞬间，＋２０Ｖ

ＣＧＥ、ＶＺ２回路对ＣＧＥ驱动电源经Ｖ４、ＲＧ、

图４

图７

开关的实现是一个关键问题，考虑到电

路中电压、电流很大，因此选用ＩＧＢＴ作为控制开关。该电路的典型值为：

Ｌ＝０．２６ｍＨ，ＲＯ＝２５Ω。Ｅ＝４０Ｖ，ＲＳ＝１．５Ω，当开关Ｋ合上时，电源对探测线圈

进行充电，线圈饱和后，回路中的电流接近２０Ａ。开关Ｋ断开后，线圈通过Ｒｏ进行放电，此时Ｒｏ两端产生反向高压，大约为５００Ｖ，通过探测它的变化特点，即可对海缆进行判断、定位。

在工作环境温度基本一定、工作电流在器件额定值以内条件下，ＩＧＢＴ的开ＲＧ选得小，则关速度主要取决于ＲＧ　，开关时间短，即ｄｉ　／　ｄｔ　很大，因感性负载Ｌ　及主回路分布电感的存在，Ｌｄｉ　／　ｄｔ将引起很大的尖峰电压叠加在Ｃ－Ｅ之间，威胁ＩＧＢＴ　的安全。

由于本课题中ＩＧＢＴ　的负载是专用的探测线圈，电感量较大，因此，关断

实验中取时间不宜过短，ＲＧ不应太小，ＲＧ＝２０Ω。

图６

充电。图６为ＲＧ　与ＶＧＥ　及ＩＧ的波形图。

由图６可知，ＥＸＢ８４１输出的驱动电流具有典型的“浪涌”特征。开关频率过高，会使单位时间内三极管Ｖ４、Ｖ５及稳压管ＶＺ２通过浪涌电流的总时间变长，引起Ｖ４、Ｖ５及稳压管ＶＺ２的发热。由于ＶＺ２的功率比Ｖ４、Ｖ５小得多，将首先烧毁ＶＺ２。

该正向峰经计算，如果ＲＧ＝２０Ω，

值充电电流Ｉｍａｘ约为１Ａ。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，而不流经Ｃ５。因此，ＶＺ２的最大瞬态功耗将近５Ｗ，远大于其额定功耗０．５Ｗ，尤其当　ＥＸＢ８４１工作在较高频

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