技术文章

0    引言

    在高可靠性等*的设备中，必须保证半导体器件的失效率标称值在10到100个FIT(1FIT=10－9/h)之间。要实现这样的可靠性，按给定特性使用模块*为重要。IGBT作为电力电子系统中*具应用前景的功率半导体器件之*，其耐用强度和使用寿命直接关系到整个系统的可靠性。就IGBT器件本身而言，可靠的驱动电路设计直接关系到其使用寿命。同时，随着微电子技术及半导体集成技术的飞速发展，数字信号处理器正逐步成为电力电子技术及运动控制*域应用越来越广的微控制器。设计可靠的驱动方案已成为以数字信号处理器为核*的运动控制系统长期可靠运行的关键环节之*。本文通过分析IGBT对可靠性驱动的要求，及几种变频调速中常用数字信号处理器的驱动能力，给出了*种可靠的驱动电路方案，该方案在实践中具有较好的应用前景。

1    IGBT特性及驱动电路可靠性设计要求

1.1    IGBT特性

    IGBT是电压驱动的少子导电器件，是将MOSFET的高速易驱动，安全工作区宽同双*性器件低饱和压降结合的产物。图1给出了IGBT的等效电路，它具有以下特点：

    ――高的输入阻抗,使之可采用通用低成本的驱动线路；

    ――高速开关特性；

    ――导通状态的损耗低。

图1    IGBT等效电路

1.1.1    IGBT的额定值

    IGBT能承受的电流、电压、功率等的*大允许值*般被定义为*大额定值。线路设计时，能否正确地理解和识别*大额定值，对IGBT可靠工作以及*终使用寿命特别重要。

1.1.2    短路电流特性

    IGBT的短路电流可达额定电流10倍以上，短路电流值由IGBT栅*电压和跨导来决定。正确地控制IGBT的短路电流是IGBT可靠工作的必要保障。

1.1.3    感性负载的关断特性

    在运动控制系统中，感性负载是常见的负载，当IGBT关断时，加在其上的电压将瞬时由几V上升到电源电压（在此期间通态电流保持不变），产生很大的dv/dt，这将严重地威胁到IGBT长期工作的可靠性。在电路设计中，通过在栅*驱动电路中增加电阻值可限制和降低关断时的dv/dt。

1.1.4    *大栅*发射*电压（VGE）

    栅*电压是由栅*氧化层的厚度和特性所决定的。栅*对发射*的击穿电压*般为80V，为了保证安全，栅*电压通常限制在20V以下。

1.1.5    栅*输入电容

    IGBT的输入电容特性直接影响到栅*驱动电路的可靠设计。IGBT作为*种少子导电器件，开关特性受少子的注入和复合以及栅*驱动条件的影响较大。在实践中，考虑到密勒效应，栅*驱动电路的驱动能力应大于手册中的2～3倍。

1.1.6    安全工作区特性

    少子器件在大电流高电压开关状态工作时，由于电流的不均匀分布，当超过安全工作*限时，经常引起器件损坏。电流分布的方式与di/dt有关，从而安全工作区经常被分为正向安全工作区和反向安全工作区。

1.2    IGBT驱动电路可靠性设计要求

    IGBT栅*电压可由不同的驱动电路产生，栅*驱动电路设计的优劣直接关系到系统长期运行可靠性。可基于以下几个要求来进行设计。

1.2.1    器件偏置要求

    在IGBT栅*加足够令其产生*饱和的正向栅压（如15V～20V）时，可使通态损耗减至*小，同时可限制短路电流和它所带来的功率应力。当栅*电压为零时，IGBT处于断态。但是，为了保证在IGBT的C－E间出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅*加反偏压(如－5V～－15V)；同时，采用反偏压可减少关断损耗，提高IGBT工作的可靠性。

1.2.2    栅*电荷要求

    IGBT的开通和关断通过栅*电路的充放电来实现，因此，栅*电阻选择是否适当直接关系到IGBT的动态特性。

1.2.3    耐固性要求

    IGBT处于关断期间，施加于IGBT集电*－栅*电容上的dv/dt可导致有电流流过栅*电路。假如此电流足够大，在栅*电阻上产生的电压，有可能导致IGBT误开通，因此，较小的栅*电阻可增加IGBT驱动的耐固性(即防止dv/dt带来的误开通)。但是，较小的栅*电阻使得IGBT的开通di/dt变大，会导致较高的dv/dt，增加了续流二*管恢复时的浪涌电压。

    因此，在设计栅*电阻时要兼顾到这二个方面的问题。

1.2.4    栅*驱动功率要求

    IGBT开关要消耗来自栅*电源的功率。其功耗受栅*驱动正、负偏压的差值ΔVGE，栅*总电荷QG和工作开关频率f的影响，式（1）给出了电源平均功率。

    PAV=ΔVGE×QG×f（1）

2    数字信号处理器PWM口驱动能力

    IGBT驱动信号的产生可通过模拟和数字两种方式来实现。随着微处理技术的发展（包括处理器、系统结构和存储器件），数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制*域得到了广泛的应用。采用数字信号处理器构成的调速系统，由处理器集成的PWM模块产生功率单元(IGBT)的驱动信号。而PWM接口驱动能力及其与IGBT的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。

2.1    TMS320LF2407A与TMS320F240PWM口驱动能力比较

    目前，数字信号处理器芯片供应厂商主要有TI公司、AD公司、Motorolar公司等,本文对交流调速系统中广泛应用的TI公司的TMS320LF2407A与TMS320F240两个产品的PWM口驱动能力进行了比较，从而为设计可靠的驱动电路提供了有力数据。据数据手册可知，长期在绝对*大额定条件下运行将影响器件的可靠性。表1给出F240工作电压绝对额定值以及在推荐工作条件下PWM口驱动输出电流能力。表2给出LF2407A工作电压绝对额定值以及在推荐工作条件下PWM口驱动输出电流能力。

表1    F240驱动输出电流能力

表2    LF2407A驱动输出电流能力

    由表2可以看出，LF2407A两个事件管理器中的PWM口驱动能力不同。同时，比较表1及表2可以看出F240与LF2407A虽然均采用CMOS技术，但是，F240使用5VCMOS电平而LF2407A使用3.3VCMOS电平低压供电方式，因此，PWM口驱动能力不同。为了保证系统可靠性，在设计驱动电路时应充分考虑以上特点。

2.2    F240与LF2407APWM接口驱动设计

    微处理器采用不同的集成技术，在设计接口电路时应充分考虑其驱动能力及电平匹配。对于F240，采用5VCMOS技术，直接与TTL电平相兼容，不必考虑*些特殊接口电路。但从可靠性设计角度出发，可在处理器与驱动芯片之间增加隔离驱动芯片，如图2所示。

图2    PWM口驱动框图

    LF2407A采用3.3V CMOS技术，该技术使得电路实现了低功耗工作，同时也带来了*些问题，即接口电平匹配与驱动能力问题。图3给出了3.3V CMOS输出到MOSFET的输入接口电路。许多MOSFET在*定的负载电流下要达到饱和导通栅*电平大于3.3V，因此设计中采用标准5V CMOS缓冲器74HC240将3.3V CMOS转换到5VCMOS电平。

图3    3.3V CMOS输出接口电路

3    基于数字信号处理器的驱动方案设计

    通过上述分析可知，基于数字信号处理器（DSP）的IGBT驱动电路的可靠性设计，要求充分了解和掌握IGBT和DSP相关的电气特性及可靠性设计的原则。这里采用HP公司的HCPL－316J门*驱动光耦合器结合TMS320F240给出了*种可靠的IGBT驱动方案。

3.1    HCPL－316J特性

    HCPL－316J是由HP公司生产的*种2A IGBT门*驱动光耦合器，其内部集成集电*发射*电压欠饱和*测电路及故障状态反馈电路。主要有以下*些特性：

    ――兼容CMOS/TTL电平；

    ――光隔离，故障状态反馈；

    ――开关速度*大500ns；

    ――“软”IGBT关断；

    ――VCE欠饱和*测及带滞环欠压锁定保护；

    ――宽工作电压范围（15～30V）；

    ――用户可配置自动复位、自动关闭。

    DSP与该耦合器结合实现IGBT的驱动，使得IGBT VCE欠饱和*测结构紧凑，低成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全与调节需要。

3.2    驱动方案设计

    目前，各公司推出的用于IGBT驱动的电路各具特色。HP公司的HCPL－316J集成了VCE欠饱和*测及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保障，同时还具有简单易实现的特点。图4给出了基于DSPF240的IGBT驱动方案原理图。
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