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

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)。基于對(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。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)，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。

1dV/dt吳觸發(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，IGBTl和IGBT2、IGBT3和IGBT4、IGBT5和IGBT6分別為半橋電路的三組半橋，F(xiàn)RDl～FRD6為快恢復(fù)二極管：電阻RG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CCE、CGC、CEC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IGBTl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IGBTl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dVCE/dt）。此時(shí)，由于IGBT2柵漏寄生電容CGc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Vth），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?/p>

從上述公式中可以得知，柵極電壓V的峰值與柵極電阻R、寄生電容C以及dV/dt正相關(guān)，而柵極電壓V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VGE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VGE諧振現(xiàn)象。

2IGBT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Rd，在IGBT正常工作的狀態(tài)下，擴(kuò)展電阻Rd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Rd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IGBTl突然開(kāi)啟，dV/dt將會(huì)耦合到IGBT2的柵極，引起柵極電壓Vge快速抬升。若VGE電壓達(dá)到IGBT2閾值電壓VTH，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)。

正偏安全工作區(qū)：由IGBT集電極最大電流、IGBT集電極一發(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)時(shí)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CGc的大小。同樣必須減小鍵合金屬絲的寄生電感LS和柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG的大小。但是受工藝流程的限制，寄生電感LS和寄生電容CGS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RG的方向著手。但是過(guò)小的柵極驅(qū)動(dòng)電阻RG，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CL、電阻RL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VH：

由上式可知，電壓VH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)VH≥Vth（Vth為晶體NM2的閾值電壓）時(shí)，晶體管M2導(dǎo)通，M2的導(dǎo)通電阻ro與RG并聯(lián)，的等效電阻為RG*。由于M2的導(dǎo)通電阻RO很小，從而瞬間減小了RG*阻值，此時(shí) RG*=RG//ro（14） 由于電阻RG*的減小，根據(jù)公式（3）可知，將有效減小c處的dV/出耦合到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/df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)由于電阻心過(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。