關(guān)于半橋電路中抗dv/dt噪聲干擾的安全工作區(qū)分析及其解決方案

　　王定良（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054）
　　摘? 要：作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的智能功率模塊（IPM）正變得越來(lái)越重要，但是越來(lái)越快的開(kāi)關(guān)速度，可能會(huì)引起IPM模塊中的IGBT的誤觸發(fā)。另外，過(guò)高的dV/dt也會(huì)在IGBT關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生雪崩擊穿。本文結(jié)合半橋電路的寄生參數(shù)模型，完善傳統(tǒng)公式的推導(dǎo)?；趯?duì)公式與IGBT擎住現(xiàn)象的分析，并結(jié)合IGBT的安全工作區(qū)提出了一種根據(jù)dv/dt的大小來(lái)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展IGBT安全工作區(qū)的電路結(jié)構(gòu)，改善了傳統(tǒng)半橋電路工作時(shí)的可靠性。
　　關(guān)鍵詞：IGBT；誤觸發(fā)；dV/dt；可靠性

　　0 引言

　　在科技越來(lái)越自動(dòng)化、智能化的今天，電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到了社會(huì)生活的各個(gè)方面，廣泛應(yīng)用在家電、交通、水利等各個(gè)領(lǐng)域^[1-2]。作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的智能功率模塊（IPM）正變得越來(lái)越重要。作為IPM驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心單元的半橋電路性能的好壞直接決定著IPM模塊的性能和穩(wěn)定性。但是在當(dāng)下對(duì)IPM模塊越來(lái)越高的開(kāi)啟關(guān)斷速率的要求，可能會(huì)引起組成半橋電路的IGBT器件的誤觸發(fā)^[3-4]，該誤觸發(fā)可能會(huì)導(dǎo)致半橋電路的橋臂直通，直通瞬間的大電流就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路的損壞。另外，過(guò)高的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率也會(huì)導(dǎo)致IGBT關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)雪崩擊穿。本文通過(guò)對(duì)半橋電路結(jié)構(gòu)的分析并結(jié)合IGBT安全工作區(qū)模型，通過(guò)該模型，本文提出了一種可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展IGBT安全工作區(qū)的結(jié)構(gòu)，提高了IPM電路工作時(shí)的可靠性。
　　1 dV/dt 誤觸發(fā)模型分析

　　常用的IPM智能模塊中的半橋IGBT功率模塊如圖1所示，其中，IGBT1和IGBT2、IGBT3和IGBT4、IGBT5和IGBT6分別為半橋電路的三組半橋，F(xiàn)RD1~FRD6為快恢復(fù)二極管；電阻R_G由IPM內(nèi)部的鍵合金屬絲電阻、金屬絲和IGBT2柵極的歐姆接觸電阻、柵極電阻構(gòu)成，電容C_GE、C_GC、C_EC為IGBT2的寄生電容，電感LS為鍵合金屬絲的寄生電感，電阻RDS（on）為前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的等效電阻，本文重點(diǎn)分析三組半橋電路中的其中一組，所以其他兩組的帶寄生參數(shù)的模型未列出。

　　功率管IGBT1和功率管IGBT2共同構(gòu)成了一組半橋驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)上橋臂IGBT1突然導(dǎo)通時(shí)，下橋臂IGBT2的漏極C處的電壓會(huì)被迅速拉抬到接近電源電壓，造成IGBT2的漏極點(diǎn)C處產(chǎn)生一個(gè)較大的 dV/dt（即dV_CE/dt）。此時(shí)，由于IGBT2柵漏寄生電容C_GC的存在，下橋臂IGBT2的柵極在G點(diǎn)的電壓也會(huì)被瞬間抬升，如果G點(diǎn)的電位超過(guò)IGBT2閾值電壓（即 V_th ），IGBT2將會(huì)導(dǎo)通，導(dǎo)致這一組半橋電路的上下橋臂直通，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)IPM電路的損壞，由于半橋電路的上下橋臂直通而導(dǎo)致的IPM模塊失效如圖2所示，該原因在導(dǎo)致的IPM模塊失效中占有相當(dāng)?shù)谋壤?br/>　　在點(diǎn)G處根據(jù)基爾霍夫電流、電壓定律有以下關(guān)系式：

　　其中， i_G 為從G點(diǎn)流向電阻 R_G 的電流。
　　初始條件為： t = 0 ， V_GE = 0 ， i_G = 0 ，進(jìn)而可以根據(jù)式(1)-(2)得到以下表達(dá)式：

　　其中，

　　公式（4）的特征根為：

　　令

　　對(duì)于公式(3)，當(dāng)

　　時(shí)， V_GE 可以表示為：

　　其中

　　從上述公式中可以得知，柵極電壓 V_GE 的峰值與柵極電阻 R_G 、寄生電容 C_GC 以及 dV/dt正相關(guān)，而柵極電壓 V_GE 的持續(xù)時(shí)間與 dV/dt負(fù)相關(guān)。通常我們認(rèn)為柵極電壓 V_GE 與 dV/dt的相干性最大，是造成電路失效的主要原因。并且，我們還能得出鍵合金屬絲的寄生電感LS 較大時(shí)將會(huì)使柵極電壓 V_GE 諧振現(xiàn)象。
　　2 IGBT的擎住效應(yīng)及安全工作區(qū)分析

　　如圖3所示為IGBT的等效電路圖，在NPN晶體管T2的基極和發(fā)射極之間有一體區(qū)擴(kuò)展電阻 R_d ，在IGBT正常工作的狀態(tài)下，擴(kuò)展電阻 R_d 上的壓降很小，不足以使得寄生NPN晶體管T2導(dǎo)通，即T2不起作用。但當(dāng)IGBT的集電極電流達(dá)到一定的值時(shí)，電流在電阻 R_d 上的壓降則會(huì)使晶體管T2導(dǎo)通，從而使得晶體管T2和T3處于正反饋飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，IGBT集電極電流會(huì)持續(xù)上升，造成功率管功耗迅速上升，導(dǎo)致器件失效。
　　對(duì)于圖2中所示的半橋電路，在半橋電路下橋臂IGBT2處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，若上橋臂IGBT1突然開(kāi)啟，dV/dt 將會(huì)耦合到IGBT2的柵極，引起柵極電壓 V_GE 快速抬升。若 V_GE 電壓達(dá)到IGBT2閾值電壓 V_TH ，IGBT2將會(huì)開(kāi)啟，導(dǎo)致半橋電路的上下橋臂直通，直通電流將如圖4所示變化，短路時(shí)間tSC過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致擎住現(xiàn)象的發(fā)生。

　　確保IGBT的安全工作，在半橋驅(qū)動(dòng)電路中是非常關(guān)鍵的，IGBT能承受的電流電壓范圍就是安全工作區(qū)。IGBT的安全工作區(qū)由正偏安全工作區(qū)和反偏安全工作區(qū)^[5]。
　　正偏安全工作區(qū)：由IGBT集電極最大電流、IGBT集電極-發(fā)射級(jí)電壓和IGBT最大功耗三條界線所限制的區(qū)域。
　　反偏安全工作區(qū)：是由IGBT的反向最大集電極-發(fā)射級(jí)電壓、IGBT集電極最大電流以及最大允許電壓上升速率 dV/dt圍成的區(qū)域。
　　3 改善dV/dt對(duì)半橋電路影響的解決方案

　　從本文的第二部分可知，為了實(shí)現(xiàn)半橋電路的可靠性，在IGBT器件的制造工藝上必須減小器件的寄生參數(shù)的大小，尤其是寄生電容 C_GC 的大小。同樣必須減小鍵合金屬絲的寄生電感 L_S 和柵極驅(qū)動(dòng)電阻 R_G 的大小。但是受工藝流程的限制，寄生電感 L_S 和寄生電容 C_GC 能夠減小的幅度是很有限的。為了達(dá)到提高半橋電路可靠性的目的，我們只能從減小柵極驅(qū)動(dòng)電阻 R_G 的方向著手。但是過(guò)小的柵極驅(qū)動(dòng)電阻 R_G ，有可能會(huì)在圖2-1中 的G點(diǎn)引入諧振，從而影響到半橋電路的可靠性。

　　為了解決以上矛盾，本文設(shè)計(jì)了如圖5-1所示的結(jié)構(gòu)，電容 C_L 、電阻 R_L 及晶體管M2將構(gòu)成一個(gè) dV/dt 檢測(cè)電路，當(dāng)C點(diǎn)電壓的 dV/dt 迅速上升時(shí)，將會(huì)在電路中的H點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)耦合電壓 V_H ：

　　由上式可知，電壓 V_H 的幅值將會(huì)隨著C點(diǎn)處電壓的dV/dt的上升而增大，當(dāng) V_H ≥V _th （ Vth 為晶體管M2的閾值電壓）時(shí)，晶體管M2導(dǎo)通，M2的導(dǎo)通電阻 r_o 與 R_G 并聯(lián)， RG 的等效電阻為R^*_G。由于M2的導(dǎo)通電阻 r_o 很小，從而瞬間減小了R^*_G 阻值，此時(shí)

　　由于電阻 R^*_G 的減小，根據(jù)公式(3)可知，將有效減小C處的 dV/dt 耦合到G處的電壓的大小。因此，可以很好的提高IGBT安全工作區(qū)的范圍，從而有效的減小由于dV/dt 導(dǎo)致半橋電路的發(fā)生誤觸發(fā)的可能性，有效提高IPM模塊的工作頻率；在C處的 dV/dt較小時(shí)，晶體管M2關(guān)斷，從而不會(huì)出現(xiàn)由于電阻 R_G 過(guò)小而導(dǎo)致在G點(diǎn)處出現(xiàn)諧振的問(wèn)題。
　　4 結(jié)論

　　本文提出的電路解決方案結(jié)合IGBT安全工作區(qū)模型，能在半橋電路由于dV/dt而將發(fā)生誤觸發(fā)時(shí)啟動(dòng)，從而有效地減少了半橋電路發(fā)生誤觸發(fā)的可能性，提高了IPM模塊的可靠性。
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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第46頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。