关于半桥电路中抗dv/dt噪声搅扰的安全作业区剖析及其解决方案

　　王定良（电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 610054）
　　摘  要：作为电机驱动电路的智能功率模块（IPM）正变得越来越重要，可是越来越快的开关速度，或许会引起IPM模块中的IGBT的误触发。别的，过高的dV/dt也会在IGBT关断状况下产生雪崩击穿。本文结合半桥电路的寄生参数模型，完善传统公式的推导。依据对公式与IGBT擎住现象的剖析，并结合IGBT的安全作业区提出了一种依据dv/dt的巨细来动态扩展IGBT安全作业区的电路结构，改进了传统半桥电路作业时的可靠性。
　　要害词：IGBT；误触发；dV/dt；可靠性

　　0 导言

　　在科技越来越自动化、智能化的今日，电机的使用现已深化到了社会生活的各个方面，广泛使用在家电、交通、水利等各个领域^[1-2]。作为电机驱动电路的智能功率模块（IPM）正变得越来越重要。作为IPM驱动电机的中心单元的半桥电路功能的好坏直接决议着IPM模块的功能和稳定性。可是在当下对IPM模块越来越高的敞开关断速率的要求，或许会引起组成半桥电路的IGBT器材的误触发^[3-4]，该误触发或许会导致半桥电路的桥臂直通，直通瞬间的大电流就会导致整个电路的损坏。别的，过高的开关转化速率也会导致IGBT关断状况下产生动态雪崩击穿。本文经过对半桥电路结构的剖析并结合IGBT安全作业区模型，经过该模型，本文提出了一种能够动态扩展IGBT安全作业区的结构，进步了IPM电路作业时的可靠性。
　　1 dV/dt 误触发模型剖析

　　常用的IPM智能模块中的半桥IGBT功率模块如图1所示，其间，IGBT1和IGBT2、IGBT3和IGBT4、IGBT5和IGBT6分别为半桥电路的三组半桥，FRD1~FRD6为快康复二极管；电阻R_G由IPM内部的键合金属丝电阻、金属丝和IGBT2栅极的欧姆触摸电阻、栅极电阻构成，电容C_GE、C_GC、C_EC为IGBT2的寄生电容，电感LS为键合金属丝的寄生电感，电阻RDS（on）为前级驱动电路的等效电阻，本文要点剖析三组半桥电路中的其间一组，所以其他两组的带寄生参数的模型未列出。

　　功率管IGBT1和功率管IGBT2一起构成了一组半桥驱动电路，当上桥臂IGBT1忽然导通时，下桥臂IGBT2的漏极C处的电压会被敏捷拉抬到挨近电源电压，形成IGBT2的漏极点C处产生一个较大的 dV/dt（即dV_CE/dt）。此刻，因为IGBT2栅漏寄生电容C_GC的存在，下桥臂IGBT2的栅极在G点的电压也会被瞬间抬升，假如G点的电位超越IGBT2阈值电压（即 V_th ），IGBT2将会导通，导致这一组半桥电路的上下桥臂直通，然后导致整个IPM电路的损坏，因为半桥电路的上下桥臂直通而导致的IPM模块失效如图2所示，该原因在导致的IPM模块失效中占有适当的份额。
　　在点G处依据基尔霍夫电流、电压规律有以下关系式：

　　其间， i_G 为从G点流向电阻 R_G 的电流。
　　初始条件为： t = 0 ， V_GE = 0 ， i_G = 0 ，然后能够依据式(1)-(2)得到以下表达式：

　　其间，

　　公式（4）的特征根为：

　　令

　　关于公式(3)，当

　　时， V_GE 能够表明为：

　　其间

　　从上述公式中能够得知，栅极电压 V_GE 的峰值与栅极电阻 R_G 、寄生电容 C_GC 以及 dV/dt正相关，而栅极电压 V_GE 的持续时刻与 dV/dt负相关。一般咱们以为栅极电压 V_GE 与 dV/dt的相干性最大，是形成电路失效的主要原因。而且，咱们还能得出键合金属丝的寄生电感LS 较大时将会使栅极电压 V_GE 谐振现象。
　　2 IGBT的擎住效应及安全作业区剖析

　　如图3所示为IGBT的等效电路图，在NPN晶体管T2的基极和发射极之间有一体区扩展电阻 R_d ，在IGBT正常作业的状况下，扩展电阻 R_d 上的压降很小，不足以使得寄生NPN晶体管T2导通，即T2不起作用。但当IGBT的集电极电流到达必定的值时，电流在电阻 R_d 上的压降则会使晶体管T2导通，然后使得晶体管T2和T3处于正反馈饱满导通状况。此刻，IGBT集电极电流会持续上升，形成功率管功耗敏捷上升，导致器材失效。
　　关于图2中所示的半桥电路，在半桥电路下桥臂IGBT2处于关断状况时，若上桥臂IGBT1忽然敞开，dV/dt 将会耦合到IGBT2的栅极，引起栅极电压 V_GE 快速抬升。若 V_GE 电压到达IGBT2阈值电压 V_TH ，IGBT2将会敞开，导致半桥电路的上下桥臂直通，直通电流将如图4所示改变，短路时刻tSC过长则会导致擎住现象的产生。

　　保证IGBT的安全作业，在半桥驱动电路中是十分要害的，IGBT能接受的电流电压规模便是安全作业区。IGBT的安全作业区由正偏安全作业区和反偏安全作业区^[5]。
　　正偏安全作业区：由IGBT集电极最大电流、IGBT集电极-发射级电压和IGBT最大功耗三条界限所约束的区域。
　　反偏安全作业区：是由IGBT的反向最大集电极-发射级电压、IGBT集电极最大电流以及最大答应电压上升速率 dV/dt围成的区域。
　　3 改进dV/dt对半桥电路影响的处理方案

　　从本文的第二部分可知，为了完成半桥电路的可靠性，在IGBT器材的制作工艺上有必要减小器材的寄生参数的巨细，尤其是寄生电容 C_GC 的巨细。相同有必要减小键合金属丝的寄生电感 L_S 和栅极驱动电阻 R_G 的巨细。可是受工艺流程的约束，寄生电感 L_S 和寄生电容 C_GC 能够减小的起伏是很有限的。为了到达进步半桥电路可靠性的意图，咱们只能从减小栅极驱动电阻 R_G 的方向着手。可是过小的栅极驱动电阻 R_G ，有或许会在图2-1中 的G点引进谐振，然后影响到半桥电路的可靠性。

　　为了处理以上对立，本文规划了如图5-1所示的结构，电容 C_L 、电阻 R_L 及晶体管M2将构成一个 dV/dt 检测电路，当C点电压的 dV/dt 敏捷上升时，将会在电路中的H点处产生一个耦合电压 V_H ：

　　由上式可知，电压 V_H 的幅值将会跟着C点处电压的dV/dt的上升而增大，当 V_H ≥V _th （ Vth 为晶体管M2的阈值电压）时，晶体管M2导通，M2的导通电阻 r_o 与 R_G 并联， RG 的等效电阻为R^*_G。因为M2的导通电阻 r_o 很小，然后瞬间减小了R^*_G 阻值，此刻

　　因为电阻 R^*_G 的减小，依据公式(3)可知，将有用减小C处的 dV/dt 耦合到G处的电压的巨细。因而，能够很好的进步IGBT安全作业区的规模，然后有用的减小因为dV/dt 导致半桥电路的产生误触发的或许性，有用进步IPM模块的作业频率；在C处的 dV/dt较小时，晶体管M2关断，然后不会呈现因为电阻 R_G 过小而导致在G点处呈现谐振的问题。
　　4 定论

　　本文提出的电路处理方案结合IGBT安全作业区模型，能在半桥电路因为dV/dt而将产生误触发时发动，然后有用地减少了半桥电路产生误触发的或许性，进步了IPM模块的可靠性。
　　参考文献

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　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第46页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。