用介質阻擋放電法（DBD法）的大功率臭氧發生設備已廣泛應用于自來水、泳池水處理以及污廢水的深度處理，在提高生活用水質量和環境保護領域起著越來越重要的作用[1]。臭氧發生設備的關鍵技術是用IGBT實現的高壓逆變電源，而IGBT的可靠驅動與保護是高性能電源的重要保障。IGBT專用驅動芯片EXB841，具有正負偏壓、過流檢測、故障保護和軟關斷等主要功能特征，在300A容量以下的IGBT驅動中得到了廣泛應用。但它存在著許多不足，有待進一步完善與改進，以便更好地滿足IGBT的驅動要求，實現IGBT驅動電路性能的優化。本文結合研制的大功率DBD型臭氧電源，在探討IGBT的驅動要求和EXB841在應用中的不足的基礎上，研究和設計了一種新的基于EXB841的優化驅動電路，并給出了實驗結果。臭氧逆變電源的實際運行結果說明該設計是合適的，不僅克服了原EXB841典型應用的不足，而且還極大地改善了IGBT的驅動與保護性能。

1 臭氧電源系統的組成及其工作原理

圖1所示為臭氧電源系統原理框圖，整個系統由主電路、控制電路和驅動電路組成。主電路包括整流電路、逆變電路；控制電路主要包括IGBT驅動電路、晶閘管智能模塊觸發電路、保護電路和軟啟動電路。根據介質阻擋放電產生臭氧的機理[1]，臭氧發生器可等效為由C_d（介質等效電容）、C_g（氣隙等效電容）和V_z（放電維持電壓）組成的等效電路。對于供電電源來說，發生器是一非線性容性負載。

圖1 電源系統控制原理框圖

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，且具有過熱、過流、缺相保護功能，使用起來非常方便[2]。電容C₁很大，因而直流輸入可近似地等效為一個電壓源，電感L主要起平波作用。電源的功率調節是通過調節全控整流橋晶閘管的觸發角α來實現的。逆變電路采用PWM控制，輸出電壓波形為頻率變化的方波，此方波電壓經中頻升壓變壓器升壓后給臭氧發生器供電。S₁－S₄為IGBT功率管，C₂為防止變壓器偏磁的隔直電容。采用頻率跟蹤技術使逆變橋工作頻率接近于負載諧振頻率，即準諧振狀態，負載由補償電感L_s（包括變壓器漏感）和臭氧發生器串聯組成，實現對功率因數的補償。

2 IGBT的驅動要求

IGBT是一種由雙極晶體管與MOSFET組合的器件[3][4]。IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力及dv/dt等參數，并決定了IGBT的靜態與動態特性。因此，在使用IGBT時，最重要的就是要設計好驅動與保護電路。IGBT對驅動電路有如下要求。

2.1 柵極驅動電壓U_ge

由于IGBT開關速度較高,關斷時很高的di/dt將在分布電感上產生較高的關斷浪涌電壓，其值可能超過IGBT的集射極間耐壓值而造成器件損壞。當U_ge增加時，導通狀態下的集射極電壓U_ce減小，開通損耗下降，但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，續流二極管反向恢復過電壓增大。因此，U_ge的選擇應折衷考慮。為保證IGBT在集射極間出現dv/dt噪聲時可靠關斷，關斷時必須在柵極施加負偏壓。特別應當注意，若這個負電壓值太小,集電極電壓變化率dv/dt可能使管子誤導通或不能關斷。

2.2 柵極串聯電阻R_g及柵射電阻R_ge

為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極上的電壓尖脈沖，須在柵極串接電阻R_g。但增大R_g會使IGBT的通斷時間延長，能耗增加；而減小R_g又會使di/dt增加，可能引發誤導通或損害IGBT。由于IGBT屬于壓控器件，當集射極間加有高電壓時,很容易受外界干擾，使柵射極電壓超過導通時的門檻電壓，引起器件誤導通，尤其是在橋式逆變器中易造成橋臂直通。為防這類現象發生，應在柵射極間并接30kΩ左右的電阻R_ge。

2.3 驅動電路的電源

驅動電路的電源應穩定，應有足夠的功率，以滿足柵極對驅動功率的要求，能提供足夠高的正負柵壓。在大電流應用場合，每個柵極驅動電路最好都采用獨立的分立絕緣電源。驅動電路的電源和控制電路的電源應獨立，以減小相互間的干擾。

日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負偏壓、過流檢測、保護、軟關斷等主要特性，是一種比較典型的驅動電路[5]。其功能比較完善，在國內得到了廣泛應用。

3 驅動芯片EXB841

圖2是EXB841的內部原理圖，其主要有3個工作過程[5]：正常開通過程、正常關斷過程和保護動作過程。保護動作過程是根據IGBT開通期間其集射極間電壓U_ce的大小判定是否發生過流而進行保護的。當IGBT開通時，若發生短路，U_ce上升很多，會使得D₇截止，EXB841的腳6“懸空”，B點和C點電位開始上升；當上升至13V時，V_Z1被擊穿，V₃導通，C₄通過R₇和V₃放電，E點的電壓逐漸下降，D₆導通，從而使IGBT的集射極間電壓U_ge下降，實現緩關斷，完成EXB841對IGBT的保護。作為IGBT的驅動芯片，EXB841有著眾多的優點，但也存在著下列不足。

圖2 EXB841內部原理圖

3.1 過流保護閾值太高

過流保護的閾值設置不合理。EXB841判定過流的主要依據是腳6電壓。腳6電壓不僅和U_ce有關，還和D₇的導通電壓有關。由于D₇在0.5～0.6V時即可開通，故可知過流時U_ce約為7.5V（=13－5－0.5=7.5V）。而通常IGBT在通過額定電流時導通壓降約為3.5V，當U_ce=7.5V時IGBT已嚴重過流。

3.2 負偏壓不足

負偏壓偏低是EXB841的一個致命弱點。EXB841設置負柵壓是為了防止較高dv/dt而引起IGBT誤動作。但在高壓大電流時，開關管通斷會在負柵壓信號中產生很大的干擾尖刺，使截止的IGBT誤導通。對于全橋電路則存在直通的可能，因而有必要適當提高負偏壓。實際表明，在合理布局的基礎上，一般須采用8V左右的負偏壓才能滿足要求。

3.3 存在虛假過流

一般大功率IGBT的導通時間t_on在1μs左右，但其尾部電壓下降是較慢的。實驗表明，當電源電壓較高時，U_ce下降至飽和導通壓降通常約需4～5μs，而過流檢測的延遲時間約為2.7μs，于是在使用中往往會出現虛假過流。因而腳5輸出信號應延時5μs，以識別真假過流，并使真正過流在內部軟關斷后才封鎖PWM信號。

3.4 過流保護無自鎖功能

在過流保護時，只具有當前脈沖軟關斷功能，而不是完全關閉。如果存在過流，它只能把正常的驅動信號變成一系列降幅脈沖，連續工作亦可能導致器件損壞。這就需在過流檢測時，當防誤觸發和保證軟關斷后，必須能自動鎖定過流信號，同時終止其輸出。

4 驅動電路優化設計

針對上述EXB841典型應用中存在的不足，在設計臭氧逆變電源中，研究與設計了基于EXB841的優化驅動電路，如圖3所示。

圖3 EXB841的優化設計電路

輔助電源電壓采用24V。這是因為負偏壓影響保護特性，負偏壓和保護閾值電壓之和不得高于13V，否則將被視為過流狀態而不能正常工作。為降低保護閾值電壓，即過流時的Uce值，可通過外接穩壓管提高負偏壓，這時正向驅動電壓將下降，因此，為保證正向驅動電壓而適當地提高了電源電壓。

外接辦法是斷開EXB841的腳1與IGBT發射極E間的連線，如圖3所示，用外接的穩壓管代替EXB841內部的穩壓管V_Z2，此時應使穩壓管兩端并有電容，同時也須根據穩壓管的穩壓值適當調整其所在支路的限流電阻。本電路選用了穩壓值為8V的穩壓管，限流電阻4.7kΩ，穩壓管兩端并聯電容為0.33μF。為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，在柵射極間并接了兩只反向串聯的穩壓二極管。

對于偏高的保護動作閾值難以起到有效的保護作用，除用短路等輔助保護外，仍須配合電流傳感器進行過流保護。為了適當降低動作閾值，已提出過采用高壓降檢測二極管或采用串接反向穩壓管及二極管的方法[4]，但其調整受到較大限制。而本改進電路不僅可使實際過載電流小于IGBT的極限過載電流，而且還實現了保護電壓的連續調節和較準確控制。

為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩以及減少IGBT集電極高電壓尖脈沖，須在柵極串聯電阻R_g。但是，在開通IGBT時，R_g增大會使IGBT的導通時間延長，能耗增加，因此需要減小R_g；而在關斷IGBT時，由于dv/dt較大，會導致IGBT發生擎住效應，因此需要增大R_g以延長關斷時間，減小過電壓。為此對電路進行了部分改進，采用了不對稱的開啟和關斷的方法。如圖3所示，在IGBT開通時，EXB841的腳3提供＋15V觸發電壓，此時兩個電阻并聯使R_g值較小，在IGBT關斷時，EXB841提供－8V電壓，此時二極管D₁截止，R_g=R_g2值較大，可以增大關斷時間，減小過電壓。當然，R_g阻值的增加會加大IGBT的開關損耗，因此，要合理選擇R_g1和R_g2的阻值。

對于EXB841驅動中產生的虛假過流以及無過流自鎖，如圖3所示，可通過外接光耦將信號傳輸給外部保護電路，經過一定延時以防止誤動作和保證進行軟關斷后由觸發器鎖定。延時是為了使IGBT軟關斷后再停止觸發信號，避免了立即停止觸發信號造成硬關斷，同時還極大地提高了抗虛假過流的能力。本鎖定保護電路其工作原理是：當過流檢測信號超過設定值時，過流高速比較器LM319輸出高電平，電容C₂通過R₇充電，若LM393持續低電平時間大于設定保護時間（一般是5μs），穩壓管VD₁被擊穿，三極管Q₂飽和導通，輸出低電平，經R－S觸發器翻轉、鎖定，并送至SG3525的腳10，停止PWM波輸出。由于EXB841的腳5被置為低電平，IGBT在此過程中緩關斷。若是EXB841誤觸發，則自動恢復到工作狀態。

5 實驗結果

實驗驅動波形如圖4所示，反向關斷電壓為－7.8V，正向驅動電壓為15.2V，正負偏壓同時得到了調整，且波形呈規則的矩形波。實驗中還發現若穩壓管兩端未并接電容，則正向驅動電壓上升沿仍然很陡，而由正向驅動電壓向反向關斷電壓切換時，先有一很陡的快速下降過程，接近0V時，經過緩慢的過渡過程才達到穩態反向關斷電壓。這是由于反向充電時間常數過大引起的。

(a) 輸入的PWM波與S₁的柵極波形

(b) S₁與S₂的柵極波形

圖4 驅動優化電路實驗波形

原EXB841典型驅動電路應用到臭氧電源時，電源系統極易出現故障，表現為：由于負偏壓不足，導致內部穩壓管損壞；在橋式電路中，IGBT發生直通現象，IGBT經常炸毀；由于臭氧電源中強電磁干擾的存在，致使EXB841在電流較小時就產生虛假過流故障報警，使得設備無法正常運行，從而使保護功能失效。改進后的優化電路使以上幾種故障均得以消除，設備能長時間可靠運行。從驅動波形看，正負偏壓均得到了提高。同時，由于用外接穩壓管替代了內部穩壓管，故在產生故障時，一般只是燒毀外接穩壓管，從而保護了EXB841，降低了設備的維修成本。圖5為該臭氧設備正常運行（準諧振狀態）時的電壓電流波形，黑色波形為放電電流波形。