0 引言

    用介质阻挡放电法（dbd法）的大功率臭氧发生设备已广泛应用于自来水、泳池水处理以及污废水的深度处理，在提高生活用水质量和环境保护领域起着越来越重要的作用[1]。臭氧发生设备的关键技术是用igbt实现的高压逆变电源，而igbt的可靠驱动与保护是高性能电源的重要保障。igbt专用驱动芯片exb841，具有正负偏压、过流检测、故障保护和软关断等主要功能特征，在300a容量以下的igbt驱动中得到了广泛应用。但它存在着许多不足，有待进一步完善与改进，以便更好地满足igbt的驱动要求，实现igbt驱动电路性能的优化。本文结合研制的大功率dbd型臭氧电源，在探讨igbt的驱动要求和exb841在应用中的不足的基础上，研究和设计了一种新的基于exb841的优化驱动电路，并给出了实验结果。臭氧逆变电源的实际运行结果说明该设计是合适的，不仅克服了原exb841典型应用的不足，而且还极大地改善了igbt的驱动与保护性能。

    1 臭氧电源系统的组成及其工作原理

    图1所示为臭氧电源系统原理框图，整个系统由主电路、控制电路和驱动电路组成。主电路包括整流电路、逆变电路；控制电路主要包括igbt驱动电路、晶闸管智能模块触发电路、保护电路和软启动电路。根据介质阻挡放电产生臭氧的机理[1]，臭氧发生器可等效为由cd（介质等效电容）、cg（气隙等效电容）和vz（放电维持电压）组成的等效电路。对于供电电源来说，发生器是一非线性容性负载。

    图1 电源系统控制原理框图

    整流电路采用三相整流智能控制模块，该模块高度集成了晶闸管主电路和移相控制电路，且具有过热、过流、缺相保护功能，使用起来非常方便[2]。电容c1很大，因而直流输入可近似地等效为一个电压源，电感l主要起平波作用。电源的功率调节是通过调节全控整流桥晶闸管的触发角α来实现的。逆变电路采用pwm控制，输出电压波形为频率变化的方波，此方波电压经中频升压变压器升压后给臭氧发生器供电。s1－s4为igbt功率管，c2为防止变压器偏磁的隔直电容。采用频率跟踪技术使逆变桥工作频率接近于负载谐振频率，即准谐振状态，负载由补偿电感ls（包括变压器漏感）和臭氧发生器串联组成，实现对功率因数的补偿。

    2 igbt的驱动要求

    igbt是一种由双极晶体管与mosfet组合的器件[3][4]。igbt的门极驱动电路影响igbt的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dv/dt等参数，并决定了igbt的静态与动态特性。因此，在使用igbt时，最重要的就是要设计好驱动与保护电路。igbt对驱动电路有如下要求。

    2.1 栅极驱动电压uge

    由于igbt开关速度较高,关断时很高的di/dt将在分布电感上产生较高的关断浪涌电压，其值可能超过igbt的集射极间耐压值而造成器件损坏。当uge增加时，导通状态下的集射极电压uce减小，开通损耗下降，但也会使igbt承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此，uge的选择应折衷考虑。为保证igbt在集射极间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压。特别应当注意，若这个负电压值太小,集电极电压变化率dv/dt可能使管子误导通或不能关断。

    2.2 栅极串联电阻rg及栅射电阻rge

    为改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少igbt集电极上的电压尖脉冲，须在栅极串接电阻rg。但增大rg会使igbt的通断时间延长，能耗增加；而减小rg又会使di/dt增加，可能引发误导通或损害igbt。由于igbt属于压控器件，当集射极间加有高电压时,很容易受外界干扰，使栅射极电压超过导通时的门槛电压，引起器件误导通，尤其是在桥式逆变器中易造成桥臂直通。为防这类现象发生，应在栅射极间并接30kω左右的电阻rge。

    2.3 驱动电路的电源

    驱动电路的电源应稳定，应有足够的功率，以满足栅极对驱动功率的要求，能提供足够高的正负栅压。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立，以减小相互间的干扰。

    日本fuji公司的exb841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路[5]。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。

    图2是exb841的内部原理图，其主要有3个工作过程[5]：正常