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)字信號處理器在交流調(diào)速及運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。數(shù)字信號處理器與功率器件接口電路設(shè)計的合理完善直接關(guān)系到系統(tǒng)長期工作的可靠性。同時,低壓供電數(shù)字信號處理器也對驅(qū)動接口電路設(shè)計提出了要求。通過分析IGBT對驅(qū)動可靠性的要求及應(yīng)用于變頻器的幾種數(shù)字信號處理器的PWM口驅(qū)動能力,,設(shè)計了一種可靠的驅(qū)動電路方案。
引言
在高可靠性等級的設(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FIT(1FIT=10-9/h)之間,。要實現(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)系到整個系統(tǒng)的可靠性。就IGBT器件本身而言,可靠的驅(qū)動電路設(shè)計直接關(guān)系到其使用壽命,。同時,,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)字信號處理器正逐步成為電力電子技術(shù)及運(yùn)動控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣的微控制器,。設(shè)計可靠的驅(qū)動方案已成為以數(shù)字信號處理器為核心的運(yùn)動控制系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,。本文通過分析IGBT對可靠性驅(qū)動的要求,及幾種變頻調(diào)速中常用數(shù)字信號處理器的驅(qū)動能力,,給出了一種可靠的驅(qū)動電路方案,,該方案在實踐中具有較好的應(yīng)用前景。
1.IGBT特性及驅(qū)動電路可靠性設(shè)計要求
1.1 IGBT特性
IGBT是電壓驅(qū)動的少子導(dǎo)電器件,,是將MOSFET的高速易驅(qū)動,,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)動線路,;
——高速開關(guān)特性;
——導(dǎo)通狀態(tài)的損耗低,。
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(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,,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(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)計中,通過在柵極驅(qū)動電路中增加電阻值可限制和降低關(guān)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(qū)動電路的可靠設(shè)計。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)動條件的影響較大,。在實踐中,,考慮到密勒效應(yīng),柵極驅(qū)動電路的驅(qū)動能力應(yīng)大于手冊中的2~3倍,。
1.1.6 安全工作區(qū)特性
電子器件在大電流高電壓開關(guān)狀態(tài)工作時,,由于電流的不均勻分布,當(dāng)超過安全工作極限時,,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)動電路可靠性設(shè)計要求
IGBT柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生,,柵極驅(qū)動電路設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性??苫谝韵聨讉€要求來進(jìn)行設(shè)計,。
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,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(yīng)力,。當(dāng)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(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關(guān)斷,必須在柵極加反偏壓(如-5V~-15V),;同時,,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現(xiàn),,因此,柵極電阻選擇是否適當(dāng)直接關(guān)系到IGBT的動態(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,,會導(dǎo)致較高的dv/dt,,增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時的浪涌電壓,。
因此,在設(shè)計柵極電阻時要兼顧到這二個方面的問題,。