關於半橋電路中抗dv/dt噪聲幹擾的安全工作區分析及其解決方案

2020-12-09 電子產品世界

　　王定良（電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都 610054）
　　摘  要：作為電機驅動電路的智能功率模塊（IPM）正變得越來越重要，但是越來越快的開關速度，可能會引起IPM模塊中的IGBT的誤觸發。另外，過高的dV/dt也會在IGBT關斷狀態下產生雪崩擊穿。本文結合半橋電路的寄生參數模型，完善傳統公式的推導。基於對公式與IGBT擎住現象的分析，並結合IGBT的安全工作區提出了一種根據dv/dt的大小來動態擴展IGBT安全工作區的電路結構，改善了傳統半橋電路工作時的可靠性。
　　關鍵詞：IGBT；誤觸發；dV/dt；可靠性

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202001/409337.htm

　　0 引言

　　在科技越來越自動化、智能化的今天，電機的應用已經深入到了社會生活的各個方面，廣泛應用在家電、交通、水利等各個領域[1-2]。作為電機驅動電路的智能功率模塊（IPM）正變得越來越重要。作為IPM驅動電機的核心單元的半橋電路性能的好壞直接決定著IPM模塊的性能和穩定性。但是在當下對IPM模塊越來越高的開啟關斷速率的要求，可能會引起組成半橋電路的IGBT器件的誤觸發[3-4]，該誤觸發可能會導致半橋電路的橋臂直通，直通瞬間的大電流就會導致整個電路的損壞。另外，過高的開關轉換速率也會導致IGBT關斷狀態下產生動態雪崩擊穿。本文通過對半橋電路結構的分析並結合IGBT安全工作區模型，通過該模型，本文提出了一種可以動態擴展IGBT安全工作區的結構，提高了IPM電路工作時的可靠性。
　　1 dV/dt 誤觸發模型分析

　　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，FRD1~FRD6為快恢復二極體；電阻RG由IPM內部的鍵合金屬絲電阻、金屬絲和IGBT2柵極的歐姆接觸電阻、柵極電阻構成，電容CGE、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）為前級驅動電路的等效電阻，本文重點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的模型未列出。

　　功率管IGBT1和功率管IGBT2共同構成了一組半橋驅動電路，當上橋臂IGBT1突然導通時，下橋臂IGBT2的漏極C處的電壓會被迅速拉抬到接近電源電壓，造成IGBT2的漏極點C處產生一個較大的 dV/dt（即dVCE/dt）。此時，由於IGBT2柵漏寄生電容CGC的存在，下橋臂IGBT2的柵極在G點的電壓也會被瞬間抬升，如果G點的電位超過IGBT2閾值電壓（即 Vth ），IGBT2將會導通，導致這一組半橋電路的上下橋臂直通，進而導致整個IPM電路的損壞，由於半橋電路的上下橋臂直通而導致的IPM模塊失效如圖2所示，該原因在導致的IPM模塊失效中佔有相當的比例。
　　在點G處根據基爾霍夫電流、電壓定律有以下關係式：

　　其中， iG 為從G點流向電阻 RG 的電流。
　　初始條件為： t = 0 ， VGE = 0 ， iG = 0 ，進而可以根據式(1)-(2)得到以下表達式：

　　其中，

　　公式（4）的特徵根為：


　　令

　　對於公式(3)，當

　　時， VGE 可以表示為：

　　其中

　　從上述公式中可以得知，柵極電壓 VGE 的峰值與柵極電阻 RG 、寄生電容 CGC 以及 dV/dt正相關，而柵極電壓 VGE 的持續時間與 dV/dt負相關。通常我們認為柵極電壓 VGE 與 dV/dt的相干性最大，是造成電路失效的主要原因。並且，我們還能得出鍵合金屬絲的寄生電感LS 較大時將會使柵極電壓 VGE 諧振現象。
　　2 IGBT的擎住效應及安全工作區分析

　　如圖3所示為IGBT的等效電路圖，在NPN電晶體T2的基極和發射極之間有一體區擴展電阻 Rd ，在IGBT正常工作的狀態下，擴展電阻 Rd 上的壓降很小，不足以使得寄生NPN電晶體T2導通，即T2不起作用。但當IGBT的集電極電流達到一定的值時，電流在電阻 Rd 上的壓降則會使電晶體T2導通，從而使得電晶體T2和T3處於正反饋飽和導通狀態。此時，IGBT集電極電流會持續上升，造成功率管功耗迅速上升，導致器件失效。
　　對於圖2中所示的半橋電路，在半橋電路下橋臂IGBT2處於關斷狀態時，若上橋臂IGBT1突然開啟，dV/dt 將會耦合到IGBT2的柵極，引起柵極電壓 VGE 快速抬升。若 VGE 電壓達到IGBT2閾值電壓 VTH ，IGBT2將會開啟，導致半橋電路的上下橋臂直通，直通電流將如圖4所示變化，短路時間tSC過長則會導致擎住現象的發生。


　　確保IGBT的安全工作，在半橋驅動電路中是非常關鍵的，IGBT能承受的電流電壓範圍就是安全工作區。IGBT的安全工作區由正偏安全工作區和反偏安全工作區[5]。
　　正偏安全工作區：由IGBT集電極最大電流、IGBT集電極-發射級電壓和IGBT最大功耗三條界線所限制的區域。
　　反偏安全工作區：是由IGBT的反向最大集電極-發射級電壓、IGBT集電極最大電流以及最大允許電壓上升速率 dV/dt圍成的區域。
　　3 改善dV/dt對半橋電路影響的解決方案

　　從本文的第二部分可知，為了實現半橋電路的可靠性，在IGBT器件的製造工藝上必須減小器件的寄生參數的大小，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 和柵極驅動電阻 RG 的大小。但是受工藝流程的限制，寄生電感 LS 和寄生電容 CGC 能夠減小的幅度是很有限的。為了達到提高半橋電路可靠性的目的，我們只能從減小柵極驅動電阻 RG 的方向著手。但是過小的柵極驅動電阻 RG ，有可能會在圖2-1中 的G點引入諧振，從而影響到半橋電路的可靠性。

　　為了解決以上矛盾，本文設計了如圖5-1所示的結構，電容 CL 、電阻 RL 及電晶體M2將構成一個 dV/dt 檢測電路，當C點電壓的 dV/dt 迅速上升時，將會在電路中的H點處產生一個耦合電壓 VH ：

　　由上式可知，電壓 VH 的幅值將會隨著C點處電壓的dV/dt的上升而增大，當 VH ≥V th （ Vth 為電晶體M2的閾值電壓）時，電晶體M2導通，M2的導通電阻 ro 與 RG 並聯， RG 的等效電阻為R*G。由於M2的導通電阻 ro 很小，從而瞬間減小了R*G 阻值，此時

　　由於電阻 R*G 的減小，根據公式(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安全工作區的範圍，從而有效的減小由於dV/dt 導致半橋電路的發生誤觸發的可能性，有效提高IPM模塊的工作頻率；在C處的 dV/dt較小時，電晶體M2關斷，從而不會出現由於電阻 RG 過小而導致在G點處出現諧振的問題。
　　4 結論

　　本文提出的電路解決方案結合IGBT安全工作區模型，能在半橋電路由於dV/dt而將發生誤觸發時啟動，從而有效地減少了半橋電路發生誤觸發的可能性，提高了IPM模塊的可靠性。
　　參考文獻

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　　[5]任少東.功率IGBT驅動電路設計[D],電子科技大學,2017.

　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第02期第46頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

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