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)

1.2.2 柵極電荷要求

IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)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(guò)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(kāi)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(lái)的誤開(kāi)通)。但是，較小的柵極電阻使得IGBT的開(kāi)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(wèn)題。

1.2.4 柵極驅(qū)動(dòng)功率要求

IGBT開(kāi)關(guān)要消耗來(lái)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(kāi)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(guò)模擬和數(shù)字兩種方式來(lái)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。

2.1 TMS320LF2407A與TMS320F240PWM口驅(qū)動(dòng)能力比較

目前，數(shù)字信號(hào)處理器芯片供應(yīng)廠商主要有TI公司、AD公司、Motorolar公司等,本文對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的TI公司的TMS320LF2407A與TMS320F240兩個(gè)產(chǎn)品的PWM口驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行了比較，從而為設(shè)計(jì)可靠的驅(qū)動(dòng)電路提供了有力數(shù)據(jù)。據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，長(zhǎng)期在絕對(duì)最大額定條件下運(yùn)行將影響器件的可靠性。表1給出F240工作電壓絕對(duì)額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅(qū)動(dòng)輸出電流能力。表2給出LF2407A工作電壓絕對(duì)額定值以及在推薦工作條件下PWM口驅(qū)動(dòng)輸出電流能力。

表1 F240驅(qū)動(dòng)輸出電流能力

表2 LF2407A驅(qū)動(dòng)輸出電流能力

由表2可以看出，LF2407A兩個(gè)事件管理器中的PWM口驅(qū)動(dòng)能力不同。同時(shí)，比較表1及表2可以看出F240與LF2407A雖然均采用CMOS技術(shù)，但是，F(xiàn)240使用5VCMOS電平而LF2407A使用3.3VCMOS電平低壓供電方式，因此，PWM口驅(qū)動(dòng)能力不同。為了保證系統(tǒng)可靠性，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)充分考慮以上特點(diǎn)。

2.2 F240與LF2407APWM接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

微處理器采用不同的集成技術(shù)，在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)應(yīng)充分考慮其驅(qū)動(dòng)能力及電平匹配。對(duì)于F240，采用5VCMOS技術(shù)，直接與TTL電平相兼容，不必考慮一些特殊接口電路。但從可靠性設(shè)計(jì)角度出發(fā)，可在處理器與驅(qū)動(dòng)芯片之間增加隔離驅(qū)動(dòng)芯片，如圖2所示。

圖2 PWM口驅(qū)動(dòng)框圖

LF2407A采用3.3V CMOS技術(shù)，該技術(shù)使得電路實(shí)現(xiàn)了低功耗工作，同時(shí)也帶來(lái)了一些問(wèn)題，即接口電平匹配與驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題。圖3給出了3.3V CMOS輸出到MOSFET的輸入接口電路。許多MOSFET在一定的負(fù)載電流下要達(dá)到飽和導(dǎo)通柵極電平大于3.3V，因此設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)5V CMOS緩沖器74HC240將3.3V CMOS轉(zhuǎn)換到5VCMOS電平。

圖3 3.3V CMOS輸出接口電路