IGBT驅(qū)動(dòng)電路對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的可靠性的設(shè)計(jì)與分析
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。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。
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。
IGBT特性及驅(qū)動(dòng)電路可靠性設(shè)計(jì)要求
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)長期運(yùn)行可靠性�？苫谝韵聨讉�(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。
1.2.2 柵極電荷要求
IGBT的開通和關(guān)斷通過柵極電路的充放電來實(shí)現(xiàn)，因此，柵極電阻選擇是否適當(dāng)直接關(guān)系到IGBT的動(dòng)態(tài)特性。
1.2.3 耐固性要求
IGBT處于關(guān)斷期間，施加于IGBT集電極－柵極電容上的dv/dt可導(dǎo)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(chǎn)生的電壓，有可能導(dǎo)致IGBT誤開通，因此，較小的柵極電阻可增加IGBT驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致較高的dv/dt，增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。
因此，在設(shè)計(jì)柵極電阻時(shí)要兼顧到這二個(gè)方面的問題。
1.2.4 柵極驅(qū)動(dòng)功率要求
IGBT開關(guān)要消耗來自柵極電源的功率。其功耗受柵極驅(qū)動(dòng)正、負(fù)偏壓的差值ΔVGE，柵極總電荷QG和工作開關(guān)頻率f的影響，式（1）給出了電源平均功率。
PAV=ΔVGE×QG×f（1）
2 數(shù)字信號(hào)處理器PWM口驅(qū)動(dòng)能力
IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生可通過模擬和數(shù)字兩種方式來實(shí)現(xiàn)。隨著微處理技術(shù)的發(fā)展（包括處理器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器件），數(shù)字信號(hào)處理器以其優(yōu)越的性能在交流調(diào)速、運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，由處理器集成的PWM模塊產(chǎn)生功率單元(IGBT)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。而PWM接口驅(qū)動(dòng)能力及其與IGBT的接口電路的設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性。
