基於數字信號處理器的IGBT驅動電路可靠性分析與設計

摘要：隨著半導體技術與大規模集成電路技術的發展，數字信號處理器在交流調速及運動控制領域應用越來越廣。數字信號處理器與功率器件介面電路設計的合理完善直接關係到系統長期工作的可靠性。同時，低壓供電數字信號處理器也對驅動介面電路設計提出了要求。通過分析IGBT對驅動可靠性的要求及應用於變頻器的幾種數字信號處理器的PWM口驅動能力，設計了一種可靠的驅動電路方案。

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

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，安全工作區寬同雙極性器件低飽和壓降結合的產物。圖1給出了IGBT的等效電路，它具有以下特點：

• 高的輸入阻抗,使之可採用通用低成本的驅動線路；
• 高速開關特性；
• 導通狀態的損耗低。

 
1.1.1 IGBT的額定值
    IGBT能承受的電流、電壓、功率等的最大允許值一般被定義為最大額定值。線路設計時，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（在此期間通態電流保持不變），產生很大的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 最大柵極發射極電壓（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複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於手冊中的2～3倍。

1.1.6 安全工作區特性
    少子器件在大電流高電壓開關狀態工作時，由於電流的不均勻分佈，當超過安全工作極限時，經常引起器件損壞。電流分佈的方式與di/dt有關，從而安全工作區經常被分為正向安全工作區和反向安全工作。

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生，柵極驅動電路設計的優劣直接關係到系統長期運行可靠性。可基於以下幾個要求來進行設計。

1.2.1 器件偏置要求
    在IGBT柵極加足夠令其產生完全飽和的正向柵壓（如15V～20V）時，可使通態損耗減至最小，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處於斷態。但是，為了保證在IGBT的C－E間出現dv/dt雜訊時仍保持關斷，必須在柵極加反偏壓(如－5V～－15V)；同時，採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，因此，柵極電阻選擇是否適當直接關係到IGBT的動態特性。

1.2.3 耐固性要求
    IGBT處於關斷期間，施加於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，增加了續流二極體恢復時的浪涌電壓。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 數字信號處理器PWM口驅動能力
    IGBT驅動信號的產生可通過模擬和數字兩種方式來實現。隨著微處理技術的發展（包括處理器、系統結構和存儲器件），數字信號處理器以其優越的性能在交流調速、運動控制領域得到了廣泛的應用。採用數字信號處理器構成的調速系統，由處理器集成的PWM模塊產生功率單元(IGBT)的驅動信號。而PWM介面驅動能力及其與IGBT的介面電路的設計直接影響到系統工作的可靠性。

2.1 TMS320LF2407A與TMS320F240PWM口驅動能力比較
    目前，數字信號處理器晶元供應廠商主要有TI公司、AD公司、Motorolar公司等,本文對交流調速系統中廣泛應用的TI公司的TMS320LF2407A與TMS320F240兩個產品的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據。據數據手冊可知，長期在絕對最大額定條件下運行將影響器件的可靠性。表1給出F240工作電壓絕對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工作電壓絕對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

　由表2可以看出，LF2407A兩個事件管理器中的PWM口驅動能力不同。同時，比較表1及表2可以看出F240與LF2407A雖然均採用CMOS技術，但是，F240使用5VCMOS電平而LF2407A使用3.3VCMOS電平低壓供電方式，因此，PWM口驅動能力不同。為了保證系統可靠性，在設計驅動電路時應充分考慮以上特點。

2.2　F240與LF2407APWM介面驅動設計
    微處理器採用不同的集成技術，在設計介面電路時應充分考慮其驅動能力及電平匹配。對於F240，採用5VCMOS技術，直接與TTL電平相兼容，不必考慮一些特殊介面電路。但從可靠性設計角度出發，可在處理器與驅動晶元之間增加隔離驅動晶元，如圖2所示。
 
    LF2407A採用3.3VCMOS技術，該技術使得電路實現了低功耗工作，同時也帶來了一些問題，即介面電平匹配與驅動能力問題。圖3給出了3.3VCMOS輸出到MOSFET的輸入介面電路。許多MOSFET在一定的負載電流下要達到飽和導通柵極電平大於3.3V，因此設計中採用標準5VCMOS緩衝器74HC240將3.3VCMOS轉換到5VCMOS電平。
 

3 基於數字信號處理器的驅動方案設計
    通過上述分析可知，基於數字信號處理器（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。這裡採用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公司生產的一種2AIGBT門極驅動光耦合器，其內部集成集電極發射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態反饋電路。主要有以下一些特性：

• 兼容CMOS/TTL電平；
• 光隔離，故障狀態反饋；
• 開關速度最大500ns；
• “軟”IGBT關斷；
• VCE欠飽和檢測及帶滯環欠壓鎖定保護；
• 寬工作電壓範圍（15～30V）；
• 用戶可配置自動複位、自動關閉。

    DSP與該耦合器結合實現IGBT的驅動，使得IGBTVCE欠飽和檢測結構緊湊，低成本且易於實現，同時滿足了寬範圍的安全與調節需要。
 
3.2 驅動方案設計
    目前，各公司推出的用於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的特點。圖4給出了基於DSPF240的IGBT驅動方案原理圖。
 

4 結語
    本文通過分析IGBT功率器件的特性、對可靠性驅動的要求以及應用於變頻器的幾種數字信號處理器的PWM口驅動能力，設計了一種可靠的IGBT驅動方案。該方案已在春日變頻器驅動電路中得到應用，並取得了很好的效果。隨著IGBT的廣泛使用，這一方案將具有很好的借鑒意義及應用前景。