基于數(shù)字信號處理器的IGBT驅(qū)動電路可靠性分析與設(shè)計

摘要：隨著半導(dǎo)體技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理器在交流調(diào)速及運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。數(shù)字信號處理器與功率器件接口電路設(shè)計的合理完善直接關(guān)系到系統(tǒng)長期工作的可靠性。同時，低壓供電數(shù)字信號處理器也對驅(qū)動接口電路設(shè)計提出了要求。通過分析IGBT對驅(qū)動可靠性的要求及應(yīng)用于變頻器的幾種數(shù)字信號處理器的PWM口驅(qū)動能力，設(shè)計了一種可靠的驅(qū)動電路方案。

關(guān)鍵詞：IGBT；數(shù)字信號處理器；PWM口；驅(qū)動；可靠性

0??? 引言

??? 在高可靠性等級的設(shè)備中，必須保證半導(dǎo)體器件的失效率標(biāo)稱值在10到100個FIT(1FIT=10－9/h)之間。要實現(xiàn)這樣的可靠性，按給定特性使用模塊極為重要。IGBT作為電力電子系統(tǒng)中最具應(yīng)用前景的功率半導(dǎo)體器件之一，其耐用強(qiáng)度和使用壽命直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性。就IGBT器件本身而言，可靠的驅(qū)動電路設(shè)計直接關(guān)系到其使用壽命。同時，隨著微電子技術(shù)及半導(dǎo)體集成技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理器正逐步成為電力電子技術(shù)及運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣的微控制器。設(shè)計可靠的驅(qū)動方案已成為以數(shù)字信號處理器為核心的運(yùn)動控制系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文通過分析IGBT對可靠性驅(qū)動的要求，及幾種變頻調(diào)速中常用數(shù)字信號處理器的驅(qū)動能力，給出了一種可靠的驅(qū)動電路方案，該方案在實踐中具有較好的應(yīng)用前景。

1??? IGBT特性及驅(qū)動電路可靠性設(shè)計要求

1.1??? IGBT特性

??? IGBT是電壓驅(qū)動的少子導(dǎo)電器件，是將MOSFET的高速易驅(qū)動，安全工作區(qū)寬同雙極性器件低飽和壓降結(jié)合的產(chǎn)物。圖1給出了IGBT的等效電路，它具有以下特點：

??? ——高的輸入阻抗,使之可采用通用低成本的驅(qū)動線路；

??? ——高速開關(guān)特性；

??? ——導(dǎo)通狀態(tài)的損耗低。

圖1??? IGBT等效電路

1.1.1??? IGBT的額定值

??? IGBT能承受的電流、電壓、功率等的最大允許值一般被定義為最大額定值。線路設(shè)計時，能否正確地理解和識別最大額定值，對IGBT可靠工作以及最終使用壽命特別重要。

1.1.2??? 短路電流特性

??? IGBT的短路電流可達(dá)額定電流10倍以上，短路電流值由IGBT柵極電壓和跨導(dǎo)來決定。正確地控制IGBT的短路電流是IGBT可靠工作的必要保障。

1.1.3??? 感性負(fù)載的關(guān)斷特性

??? 在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，感性負(fù)載是常見的負(fù)載，當(dāng)IGBT關(guān)斷時，加在其上的電壓將瞬時由幾V上升到電源電壓（在此期間通態(tài)電流保持不變），產(chǎn)生很大的dv/dt，這將嚴(yán)重地威脅到IGBT長期工作的可靠性。在電路設(shè)計中，通過在柵極驅(qū)動電路中增加電阻值可限制和降低關(guān)斷時的dv/dt。

1.1.4??? 最大柵極發(fā)射極電壓（VGE）

??? 柵極電壓是由柵極氧化層的厚度和特性所決定的。柵極對發(fā)射極的擊穿電壓一般為80V，為了保證安全，柵極電壓通常限制在20V以下。

1.1.5??? 柵極輸入電容

??? IGBT的輸入電容特性直接影響到柵極驅(qū)動電路的可靠設(shè)計。IGBT作為一種少子導(dǎo)電器件，開關(guān)特性受少子的注入和復(fù)合以及柵極驅(qū)動條件的影響較大。在實踐中，考慮到密勒效應(yīng)，柵極驅(qū)動電路的驅(qū)動能力應(yīng)大于手冊中的2～3倍。

1.1.6??? 安全工作區(qū)特性

??? 少子器件在大電流高電壓開關(guān)狀態(tài)工作時，由于電流的不均勻分布，當(dāng)超過安全工作極限時，經(jīng)常引起器件損壞。電流分布的方式與di/dt有關(guān)，從而安全工作區(qū)經(jīng)常被分為正向安全工作區(qū)和反向安全工作區(qū)。

1.2??? IGBT驅(qū)動電路可靠性設(shè)計要求

??? IGBT柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生，柵極驅(qū)動電路設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性?？苫谝韵聨讉€要求來進(jìn)行設(shè)計。

1.2.1??? 器件偏置要求

??? 在IGBT柵極加足夠令其產(chǎn)生完全飽和的正向柵壓（如15V～20V）時，可使通態(tài)損耗減至最小，同時可限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。當(dāng)柵極電壓為零時，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證在IGBT的C－E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關(guān)斷，必須在柵極加反偏壓(如－5V～－15V)；同時，采用反偏壓可減少關(guān)斷損耗，提高IGBT工作的可靠性。

1.2.2??? 柵極電荷要求

??? IGBT的開通和關(guān)斷通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)，因此，柵極電阻選擇是否適當(dāng)直接關(guān)系到IGBT的動態(tài)特性。

1.2.3??? 耐固性要求

??? IGBT處于關(guān)斷期間，施加于IGBT集電極－柵極電容上的dv/dt可導(dǎo)致有電流流過柵極電路。假如此電流足夠大，在柵極電阻上產(chǎn)生的電壓，有可能導(dǎo)致IGBT誤開通，因此，較小的柵極電阻可增加IGBT驅(qū)動的耐固性(即防止dv/dt帶來的誤開通)。但是，較小的柵極電阻使得IGBT的開通di/dt變大，會導(dǎo)致較高的dv/dt，增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時的浪涌電壓。

??? 因此，在設(shè)計柵極電阻時要兼顧到這二個方面的問題。

1.2.4??? 柵極驅(qū)動功率要求

??? IGBT開關(guān)要消耗來自柵極電源的功率。其功耗受柵極驅(qū)動正、負(fù)偏壓的差值ΔVGE，柵極總電荷QG和工作開關(guān)頻率f的影響，式（1）給出了電源平均功率。

??? PAV=ΔVGE×QG×f（1）

2??? 數(shù)字信號處理器PWM口驅(qū)動能力

??? IGBT驅(qū)動信號的產(chǎn)生可通過模擬和數(shù)字兩種方式來實現(xiàn)。隨著微處理技術(shù)的發(fā)展（包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲器件），數(shù)字信號處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用數(shù)字信號處理器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生功率單元(IGBT)的驅(qū)動信號。而PWM接口驅(qū)動能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。

2.1??? TMS320LF2407A與TMS320F240PWM口驅(qū)動能力比較

??? 目前，數(shù)字信號處理器芯片供應(yīng)廠商主要有TI公司、AD公司、Motorolar公司等,本文對交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的TI公司的TMS320LF2407A與TMS320F240兩個產(chǎn)品的PWM口驅(qū)動能力進(jìn)行了比較，從而為設(shè)計可靠的驅(qū)動電路提供了有力數(shù)據(jù)。據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知，長期在絕對最大額定條件下運(yùn)行將影響器件的可靠性。表1給出F240工作電壓絕對額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅(qū)動輸出電流能力。表2給出LF2407A工作電壓絕對額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅(qū)動輸出電流能力。

表1??? F240驅(qū)動輸出電流能力

表2??? LF2407A驅(qū)動輸出電流能力

??? 由表2可以看出，LF2407A兩個事件管理器中的PWM口驅(qū)動能力不同。同時，比較表1及表2可以看出F240與LF2407A雖然均采用CMOS技術(shù)，但是，F(xiàn)240使用5VCMOS電平而LF2407A使用3.3VCMOS電平低壓供電方式，因此，PWM口驅(qū)動能力不同。為了保證系統(tǒng)可靠性，在設(shè)計驅(qū)動電路時應(yīng)充分考慮以上特點。

2.2??? F240與LF2407APWM接口驅(qū)動設(shè)計

??? 微處理器采用不同的集成技術(shù)，在設(shè)計接口電路時應(yīng)充分考慮其驅(qū)動能力及電平匹配。對于F240，采用5VCMOS技術(shù)，直接與TTL電平相兼容，不必考慮一些特殊接口電路。但從可靠性設(shè)計角度出發(fā)，可在處理器與驅(qū)動芯片之間增加隔離驅(qū)動芯片，如圖2所示。

圖2??? PWM口驅(qū)動框圖

??? LF2407A采用3.3V CMOS技術(shù)，該技術(shù)使得電路實現(xiàn)了低功耗工作，同時也帶來了一些問題，即接口電平匹配與驅(qū)動能力問題。圖3給出了3.3V CMOS輸出到MOSFET的輸入接口電路。許多MOSFET在一定的負(fù)載電流下要達(dá)到飽和導(dǎo)通柵極電平大于3.3V，因此設(shè)計中采用標(biāo)準(zhǔn)5V CMOS緩沖器74HC240將3.3V CMOS轉(zhuǎn)換到5VCMOS電平。

圖3??? 3.3V CMOS輸出接口電路

3??? 基于數(shù)字信號處理器的驅(qū)動方案設(shè)計

??? 通過上述分析可知，基于數(shù)字信號處理器（DSP）的IGBT驅(qū)動電路的可靠性設(shè)計，要求充分了解和掌握IGBT和DSP相關(guān)的電氣特性及可靠性設(shè)計的原則。這里采用HP公司的HCPL－316J門極驅(qū)動光耦合器結(jié)合TMS320F240給出了一種可靠的IGBT驅(qū)動方案。

3.1??? HCPL－316J特性

??? HCPL－316J是由HP公司生產(chǎn)的一種2A IGBT門極驅(qū)動光耦合器，其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路。主要有以下一些特性：

??? ——兼容CMOS/TTL電平；

??? ——光隔離，故障狀態(tài)反饋；

??? ——開關(guān)速度最大500ns；

??? ——“軟”IGBT關(guān)斷；

??? ——VCE欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護(hù)；

??? ——寬工作電壓范圍（15～30V）；

??? ——用戶可配置自動復(fù)位、自動關(guān)閉。

??? DSP與該耦合器結(jié)合實現(xiàn)IGBT的驅(qū)動，使得IGBT VCE欠飽和檢測結(jié)構(gòu)緊湊，低成本且易于實現(xiàn)，同時滿足了寬范圍的安全與調(diào)節(jié)需要。

3.2??? 驅(qū)動方案設(shè)計

??? 目前，各公司推出的用于IGBT驅(qū)動的電路各具特色。HP公司的HCPL－316J集成了VCE欠飽和檢測及故障狀態(tài)反饋電路，為驅(qū)動電路的可靠工作提供了保障，同時還具有簡單易實現(xiàn)的特點。圖4給出了基于DSPF240的IGBT驅(qū)動方案原理圖。

圖4??? 驅(qū)動電路原理圖

4??? 結(jié)語

??? 本文通過分析IGBT功率器件的特性、對可靠性驅(qū)動的要求以及應(yīng)用于變頻器的幾種數(shù)字信號處理器的PWM口驅(qū)動能力，設(shè)計了一種可靠的IGBT驅(qū)動方案。該方案已在春日變頻器驅(qū)動電路中得到應(yīng)用，并取得了很好的效果。隨著IGBT的廣泛使用，這一方案將具有很好的借鑒意義及應(yīng)用前景。