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关于半桥电路中抗dv/dt噪声干扰的安全工作区分析及其解决方案

作者:王定良时间:2020-01-16来源:电子产品世界收藏

  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,但是越来越快的开关速度,可能会引起IPM模块中的。另外,过高的也会在关断状态下产生雪崩击穿。本文结合半桥电路的寄生参数模型,完善传统公式的推导。基于对公式与擎住现象的分析,并结合IGBT的安全工作区提出了一种根据dv/dt的大小来动态扩展IGBT安全工作区的电路结构,改善了传统半桥电路工作时的
  关键词:IGBT;

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

  0 引言

  在科技越来越自动化、智能化的今天,电机的应用已经深入到了社会生活的各个方面,广泛应用在家电、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驱动电机的核心单元的半桥电路性能的好坏直接决定着IPM模块的性能和稳定性。但是在当下对IPM模块越来越高的开启关断速率的要求,可能会引起组成半桥电路的IGBT器件的[3-4],该误触发可能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。另外,过高的开关转换速率也会导致IGBT关断状态下产生动态雪崩击穿。本文通过对半桥电路结构的分析并结合IGBT安全工作区模型,通过该模型,本文提出了一种可以动态扩展IGBT安全工作区的结构,提高了IPM电路工作时的
  1 误触发模型分析

  常用的IPM智能模块中的半桥IGBT功率模块如图1所示,其中,IGBT1和IGBT2、IGBT3和IGBT4、IGBT5和IGBT6分别为半桥电路的三组半桥,FRD1~FRD6为快恢复二极管;电阻RG由IPM内部的键合金属丝电阻、金属丝和IGBT2栅极的欧姆接触电阻、栅极电阻构成,电容CGE、CGC、CEC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,本文重点分析三组半桥电路中的其中一组,所以其他两组的带寄生参数的模型未列出。

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  功率管IGBT1和功率管IGBT2共同构成了一组半桥驱动电路,当上桥臂IGBT1突然导通时,下桥臂IGBT2的漏极C处的电压会被迅速拉抬到接近电源电压,造成IGBT2的漏极点C处产生一个较大的 dV/dt(即dVCE/dt)。此时,由于IGBT2栅漏寄生电容CGC的存在,下桥臂IGBT2的栅极在G点的电压也会被瞬间抬升,如果G点的电位超过IGBT2阈值电压(即 Vth ),IGBT2将会导通,导致这一组半桥电路的上下桥臂直通,进而导致整个IPM电路的损坏,由于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模块失效中占有相当的比例。
  在点G处根据基尔霍夫电流、电压定律有以下关系式:

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  其中, iG 为从G点流向电阻 RG 的电流。
  初始条件为: t = 0 , VGE = 0 , iG = 0 ,进而可以根据式(1)-(2)得到以下表达式:

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  其中,

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  公式(4)的特征根为:

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  对于公式(3),当

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  时, VGE 可以表示为:

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  其中

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  从上述公式中可以得知,栅极电压 VGE 的峰值与栅极电阻 RG 、寄生电容 CGC 以及 dV/dt正相关,而栅极电压 VGE 的持续时间与 dV/dt负相关。通常我们认为栅极电压 VGEdV/dt的相干性最大,是造成电路失效的主要原因。并且,我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 VGE 谐振现象。
  2 IGBT的擎住效应及安全工作区分析

  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 Rd ,在IGBT正常工作的状态下,扩展电阻 Rd 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的集电极电流达到一定的值时,电流在电阻 Rd 上的压降则会使晶体管T2导通,从而使得晶体管T2和T3处于正反馈饱和导通状态。此时,IGBT集电极电流会持续上升,造成功率管功耗迅速上升,导致器件失效。
  对于图2中所示的半桥电路,在半桥电路下桥臂IGBT2处于关断状态时,若上桥臂IGBT1突然开启,dV/dt 将会耦合到IGBT2的栅极,引起栅极电压 VGE 快速抬升。若 VGE 电压达到IGBT2阈值电压 VTH ,IGBT2将会开启,导致半桥电路的上下桥臂直通,直通电流将如图4所示变化,短路时间tSC过长则会导致擎住现象的发生。

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  确保IGBT的安全工作,在半桥驱动电路中是非常关键的,IGBT能承受的电流电压范围就是安全工作区。IGBT的安全工作区由正偏安全工作区和反偏安全工作区[5]
  正偏安全工作区:由IGBT集电极最大电流、IGBT集电极-发射级电压和IGBT最大功耗三条界线所限制的区域。
  反偏安全工作区: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允许电压上升速率 dV/dt围成的区域。
  3 改善dV/dt对半桥电路影响的解决方案

  从本文的第二部分可知,为了实现半桥电路的可靠性,在IGBT器件的制造工艺上必须减小器件的寄生参数的大小,尤其是寄生电容 CGC 的大小。同样必须减小键合金属丝的寄生电感 LS 和栅极驱动电阻 RG 的大小。但是受工艺流程的限制,寄生电感 LS 和寄生电容 CGC 能够减小的幅度是很有限的。为了达到提高半桥电路可靠性的目的,我们只能从减小栅极驱动电阻 RG 的方向着手。但是过小的栅极驱动电阻 RG ,有可能会在图2-1中 的G点引入谐振,从而影响到半桥电路的可靠性。

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  为了解决以上矛盾,本文设计了如图5-1所示的结构,电容 CL 、电阻 RL 及晶体管M2将构成一个 dV/dt 检测电路,当C点电压的 dV/dt 迅速上升时,将会在电路中的H点处产生一个耦合电压 VH

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  由上式可知,电压 VH 的幅值将会随着C点处电压的dV/dt的上升而增大,当 VH ≥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 ro 与 RG 并联, RG 的等效电阻为R*G。由于M2的导通电阻 ro 很小,从而瞬间减小了R*G 阻值,此时

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  由于电阻 R*G 的减小,根据公式(3)可知,将有效减小C处的 dV/dt 耦合到G处的电压的大小。因此,可以很好的提高IGBT安全工作区的范围,从而有效的减小由于dV/dt 导致半桥电路的发生误触发的可能性,有效提高IPM模块的工作频率;在C处的 dV/dt较小时,晶体管M2关断,从而不会出现由于电阻 RG 过小而导致在G点处出现谐振的问题。
  4 结论

  本文提出的电路解决方案结合IGBT安全工作区模型,能在半桥电路由于dV/dt而将发生误触发时启动,从而有效地减少了半桥电路发生误触发的可能性,提高了IPM模块的可靠性。
  参考文献

  [1]周文定,亢宝位.不断发展中的 IGBT 技术概述[ J] .电力电子技术,2007, 41(9):115-118.
  [2]王季秩.电机在电子信息特殊领域中的应用(4)[J].微电机(伺服技术), 2002, 35(06), 48-53.
  [3] Yuming Bai, Deva Pattanayak, Alex Q.Huang.Ananlysis ofdv/dt induced spurious turn-on of MOSFET. Cpes AnnualSeminar,2003:605.
  [4] Letor R,Aniceto G C.Short circuit behavior of IGBT’s correlatedto the intrinsic device structure and on the applicationcircuit[J].IEEE Trans Industry Applications,1995,31(2):234 .
  [5]任少东.功率IGBT驱动电路设计[D],电子科技大学,2017.

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



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