基于数字信号处理器的IGBT驱动电路可靠性分析与设计

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 引言

在高可靠性等级的设备中,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极为重要。IGBT作为电力电子系统中最具应用前景的功率半导体器件之一,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领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心的运动控制系统长期可靠运行的关键环节之一。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,给出了一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,安全工作区宽同双极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、功率等的最大允许值一般被定义为最大额定值。线路设计时,能否正确地理解和识别最大额定值,对IGBT可靠工作以及最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栅极电压和跨导来决定。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,通过在栅极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 最大栅极发射极电压(VGE)

栅极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所决定的。栅极对发射极的击穿电压一般为80V,为了保证安全,栅极电压通常限制在20V以下。

1.1.5 栅极输入电容

IGBT的输入电容特性直接影响到栅极驱动电路的可靠设计。IGBT作为一种少子导电器件,开关特性受少子的注入和复合以及栅极驱动条件的影响较大。在实践中,考虑到密勒效应,栅极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,当超过安全工作极限时,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栅极电压可由不同的驱动电路产生,栅极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栅极加足够令其产生完全饱和的正向栅压(如15V~20V)时,可使通态损耗减至最小,同时可限制短路电流和它所带来的功率应力。当栅极电压为零时,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,必须在栅极加反偏压(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 栅极电荷要求

IGBT的开通和关断通过栅极电路的充放电来实现,因此,栅极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集电极-栅极电容上的dv/dt可导致有电流流过栅极电路。假如此电流足够大,在栅极电阻上产生的电压,有可能导致IGBT误开通,因此,较小的栅极电阻可增加IGBT驱动的耐固性(即防止dv/dt带来的误开通)。但是,较小的栅极电阻使得IGBT的开通di/dt变大,会导致较高的dv/dt,增加了续流二极管恢复时的浪涌电压。

因此,在设计栅极电阻时要兼顾到这二个方面的问题。

1.2.4 栅极驱动功率要求

IGBT开关要消耗来自栅极电源的功率。其功耗受栅极驱动正、负偏压的差值ΔVGE,栅极总电荷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、运动控制领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,长期在绝对最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。

电源电压范围/V -0.3~7
输出高电平/V 3.5 3.0 2.4
输出源电流/mA -13 -18.5 -23
输出低电平/V 0.6 0.4 0.2
输出吸收电流/mA 14.5 10 5
表1 F240驱动输出电流能力

电源电压范围/V -0.3~4.6
PWM口 PWM1~6 PWM7~12
输出高电平/V 2.4 2.4
输出源电流/mA -2 -4
输出低电平/V 0.3 0.3
输出吸收电流/mA 2 4
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,不必考虑一些特殊接口电路。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,同时也带来了一些问题,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在一定的负载电流下要达到饱和导通栅极电平大于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门极驱动光耦合器结合TMS320F240给出了一种可靠的IGBT驱动方案。

3.1 HCPL-316J特性

HCPL-316J是由HP公司生产的一种2A IGBT门极驱动光耦合器,其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路。主要有以下一些特性:

——兼容CMOS/TTL电平;
——光隔离,故障状态反馈;
——开关速度最大500ns;
——“软”IGBT关断;
——VCE欠饱和检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欠饱和检测结构紧凑,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欠饱和检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。

图4 驱动电路原理图

4 结语

本文通过分析IGBT功率器件的特性、对可靠性驱动的要求以及应用于变频器的几种数字信号处理器的PWM口驱动能力,设计了一种可靠的IGBT驱动方案。该方案已在春日变频器驱动电路中得到应用,并取得了很好的效果。随着IGBT的广泛使用,这一方案将具有很好的借鉴意义及应用前景。