基于數(shù)字信號處理器的IGBT驅動電路可靠性分析與設計

1    IGBT特性及驅動電路可靠性設計要求

1.1    IGBT特性

    IGBT是電壓驅動的少子導電器件，是將MOSFET的高速易驅動，**工作區(qū)寬同雙極性器件低飽和壓降結合的產(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動線路；

    ——高速開關特性；

    ——導通狀態(tài)的損耗低。

1.1.1    IGBT的額定值

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

1.1.2    短路電流特性

    IGBT的短路電流可達額定電流10倍以上，短路電流值由IGBT柵極電壓和跨導來決定。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    感性負載的關斷特性

    在運動控制系統(tǒng)中，感性負載是常見的負載，當IGBT關斷時，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，這將嚴重地威脅到IGBT長期工作的可靠性。在電路設計中，通過在柵極驅動電路中增加電阻值可限制和降低關斷時的dv/dt。

1.1.4    *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**，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動電路的可靠設計。IGBT作為一種少子導電器件，開關特性受少子的注入和復合以及柵極驅動條件的影響較大。在實踐中，考慮到密勒效應，柵極驅動電路的驅動能力應大于手冊中的2～3倍。

1.1.6    **工作區(qū)特性

    少子器件在大電流高電壓開關狀態(tài)工作時，由于電流的不均勻分布，當超過**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，從而**工作區(qū)經(jīng)常被分為正向**工作區(qū)和反向**工作區(qū)。

1.2    IGBT驅動電路可靠性設計要求

    IGBT柵極電壓可由不同的驅動電路產(chǎn)生，柵極驅動電路設計的優(yōu)劣直接關系到系統(tǒng)長期運行可靠性。可基于以下幾個要求來進行設計。

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*小，同時可限制短路電流和它所帶來的功率應力。當柵極電壓為零時，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證在IGBT的C－E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關斷，必須在柵極加反偏壓(如－5V～－15V)；同時，采用反偏壓可減少關斷損耗，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直接關系到IGBT的動態(tài)特性。

1.2.3    耐固性要求

    IGBT處于關斷期間，施加于IGBT集電極－柵極電容上的dv/dt可導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，有可能導致IGBT誤開通，因此，較小的柵極電阻可增加IGBT驅動的耐固性(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，會導致較高的dv/dt，增加了續(xù)流二極管恢復時的浪涌電壓。

    因此，在設計柵極電阻時要兼顧到這二個方面的問題。

1.2.4    柵極驅動功率要求

    IGBT開關要消耗來自柵極電源的功率。其功耗受柵極驅動正、負偏壓的差值ΔVGE，柵極總電荷QG和工作開關頻率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口驅動能力

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

2.1    TMS320LF2407A與TMS320F240PWM口驅動能力比較

    目前，數(shù)字信號處理器芯片供應廠商主要有TI公司、AD公司、Motorolar公司等,本文對交流調速系統(tǒng)中廣泛應用的TI公司的TMS320LF2407A與TMS320F240兩個產(chǎn)品的PWM口驅動能力進行了比較，從而為設計可靠的驅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***大額定條件下運行將影響器件的可靠性。表1給出F240工作電壓**額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅動輸出電流能力。表2給出LF2407A工作電壓**額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅動輸出電流能力。

表1    F240驅動輸出電流能力

表2    LF2407A驅動輸出電流能力

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

圖2    PWM口驅動框圖

    LF2407A采用3.3V CMOS技術，該技術使得電路實現(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在一定的負載電流下要達到飽和導通柵極電平大于3.3V，因此設計中采用標準5V CMOS緩沖器74HC240將3.3V CMOS轉換到5VCMOS電平。

3    基于數(shù)字信號處理器的驅動方案設計

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

3.1    HCPL－316J特性

    HCPL－316J是由HP公司生產(chǎn)的一種2A IGBT門極驅動光耦合器，其內部集成集電極發(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；

    ——開關速度*大500ns；

    ——“軟”IGBT關斷；

    ——VCE欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護；

    ——寬工作電壓范圍（15～30V）；

    ——用戶可配置自動復位、自動關閉。

    DSP與該耦合器結合實現(xiàn)IGBT的驅動，使得IGBT VCE欠飽和檢測結構緊湊，低成本且易于實現(xiàn)，同時滿足了寬范圍的**與調節(jié)需要。

3.2    驅動方案設計

    目前，各公司推出的用于IGBT驅動的電路各具特色。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驅動方案原理圖。