基于數(shù)字信號(hào)處理器的IGBT驅(qū)動(dòng)電路可靠性分析與設(shè)計(jì)

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(hào)處理器在交流調(diào)速及運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣。數(shù)字信號(hào)處理器與功率器件接口電路設(shè)計(jì)的合理完善直接關(guān)系到系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性。同時(shí)，低壓供電數(shù)字信號(hào)處理器也對(duì)驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)提出了要求。通過(guò)分析IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)可靠性的要求及應(yīng)用于變頻器的幾種數(shù)字信號(hào)處理器的PWM口驅(qū)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)了一種可靠的驅(qū)動(dòng)電路方案。

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

0    引言

    在高可靠性等級(jí)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(gè)FIT(1FIT=10－9/h)之間。要實(shí)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(gè)系統(tǒng)的可靠性。就IGBT器件本身而言，可靠的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)直接關(guān)系到其使用壽命。同時(shí)，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(hào)處理器正逐步成為電力電子技術(shù)及運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣的微控制器。設(shè)計(jì)可靠的驅(qū)動(dòng)方案已成為以數(shù)字信號(hào)處理器為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文通過(guò)分析IGBT對(duì)可靠性驅(qū)動(dòng)的要求，及幾種變頻調(diào)速中常用數(shù)字信號(hào)處理器的驅(qū)動(dòng)能力，給出了一種可靠的驅(qū)動(dòng)電路方案，該方案在實(shí)踐中具有較好的應(yīng)用前景。

1    IGBT特性及驅(qū)動(dòng)電路可靠性設(shè)計(jì)要求

1.1    IGBT特性

    IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)的少子導(dǎo)電器件，是將MOSFET的高速易驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)：

    ——高的輸入阻抗,使之可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)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(jì)時(shí)，能否正確地理解和識(shí)別最大額定值，對(duì)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(lái)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(dòng)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(shí)，加在其上的電壓將瞬時(shí)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(zhǎng)期工作的可靠性。在電路設(shè)計(jì)中，通過(guò)在柵極驅(qū)動(dòng)電路中增加電阻值可限制和降低關(guān)斷時(shí)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(duì)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(dòng)電路的可靠設(shè)計(jì)。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(dòng)條件的影響較大。在實(shí)踐中，考慮到密勒效應(yīng)，柵極驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)大于手冊(cè)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(shí)，由于電流的不均勻分布，當(dāng)超過(guò)安全工作極限時(shí)，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(dòng)電路可靠性設(shè)計(jì)要求

    IGBT柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生，柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。可基于以下幾個(gè)要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(shí)，可使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)可限制短路電流和它所帶來(lái)的功率應(yīng)力。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，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(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極加反偏壓(如－5V～－15V)；同時(shí)，采用反偏壓可減少關(guān)斷損耗，提高IGBT工作的可靠性。 [!--empirenews.page--]

1.2.2    柵極電荷要求

    IGBT的開通和關(guān)斷通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，柵極電阻選擇是否適當(dāng)直接關(guān)系到IGBT的動(dòng)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(guò)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(dòng)的耐固性(即防止dv/dt帶來(lái)的誤開通)。但是，較小的柵極電阻使得IGBT的開通di/dt變大，會(huì)導(dǎo)致較高的dv/dt，增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。

    因此，在設(shè)計(jì)柵極電阻時(shí)要兼顧到這二個(gè)方面的問(wèn)題。

1.2.4    柵極驅(qū)動(dòng)功率要求

    IGBT開關(guān)要消耗來(lái)自柵極電源的功率。其功耗受柵極驅(qū)動(dòng)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(hào)處理器PWM口驅(qū)動(dòng)能力

    IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生可通過(guò)模擬和數(shù)字兩種方式來(lái)實(shí)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(chǔ)器件），數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用數(shù)字信號(hào)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(dòng)信號(hào)。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。

2.1    TMS320LF2407A與TMS320F240PWM口驅(qū)動(dòng)能力比較

    目前，數(shù)字信號(hào)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(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的TI公司的TMS320LF2407A與TMS320F240兩個(gè)產(chǎn)品的PWM口驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行了比較，從而為設(shè)計(jì)可靠的驅(qū)動(dòng)電路提供了有力數(shù)據(jù)。據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，長(zhǎng)期在絕對(duì)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(duì)額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅(qū)動(dòng)輸出電流能力。表2給出LF2407A工作電壓絕對(duì)額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅(qū)動(dòng)輸出電流能力。

表1    F240驅(qū)動(dòng)輸出電流能力

表2    LF2407A驅(qū)動(dòng)輸出電流能力

    由表2可以看出，LF2407A兩個(gè)事件管理器中的PWM口驅(qū)動(dòng)能力不同。同時(shí)，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(dòng)能力不同。為了保證系統(tǒng)可靠性，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)充分考慮以上特點(diǎn)。

2.2    F240與LF2407APWM接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

    微處理器采用不同的集成技術(shù)，在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)應(yīng)充分考慮其驅(qū)動(dòng)能力及電平匹配。對(duì)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(jì)角度出發(fā)，可在處理器與驅(qū)動(dòng)芯片之間增加隔離驅(qū)動(dòng)芯片，如圖2所示。

圖2    PWM口驅(qū)動(dòng)框圖

    LF2407A采用3.3V CMOS技術(shù)，該技術(shù)使得電路實(shí)現(xiàn)了低功耗工作，同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題，即接口電平匹配與驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)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(jì)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  [!--empirenews.page--]

3    基于數(shù)字信號(hào)處理器的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

    通過(guò)上述分析可知，基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的IGBT驅(qū)動(dòng)電路的可靠性設(shè)計(jì)，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(jì)的原則。這里采用HP公司的HCPL－316J門極驅(qū)動(dòng)光耦合器結(jié)合TMS320F240給出了一種可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)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(dòng)光耦合器，其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測(cè)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(cè)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(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)閉。

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

3.2    驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

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

圖4    驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4    結(jié)語(yǔ)

    本文通過(guò)分析IGBT功率器件的特性、對(duì)可靠性驅(qū)動(dòng)的要求以及應(yīng)用于變頻器的幾種數(shù)字信號(hào)處理器的PWM口驅(qū)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)了一種可靠的IGBT驅(qū)動(dòng)方案。該方案已在春日變頻器驅(qū)動(dòng)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。