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?？?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/基于">基于以下幾個(gè)要求來進(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。