基于數字信號處理器的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(guī)模集成電路技術的發(fā)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接口電路設計的合理完善直接關系到系統(tǒng)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接口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于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。

關鍵詞：IGBT；數字信號處理器；PWM口；驅動；可靠性

0 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(tǒng)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系到整個系統(tǒng)的可靠性。就IGBT器件本身而言，可靠的驅動電路設計直接關系到其使用壽命。同時，隨著微電子技術及半導體集成技術的飛速發(fā)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(tǒng)長期可靠運行的關鍵環(huán)節(jié)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(qū)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。

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(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(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 安全工作區(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，當超過安全工作極限時，經常引起器件損壞。電流分布的方式與di/dt有關，從而安全工作區(qū)經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(yōu)劣直接關系到系統(tǒng)長期運行可靠性?？?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/基于">基于以下幾個要求來進行設計。

1.2.1 器件偏置要求

在IGBT柵極加足夠令其產生完全飽和的正向柵壓（如15V～20V）時，可使通態(tài)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處于斷態(tài)。但是，為了保證在IGBT的C－E間出現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。