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(guān)速度,可能會引起IPM模塊中的IGBT的誤觸發(fā)。另外,過高的dV/dt也會在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的大小來動態(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
在科技越來越自動化、智能化的今天,電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到了社會生活的各個方面,廣泛應(yīng)用在家電、交通、水利等各個領(lǐng)域[1-2]。作為電機(jī)驅(qū)動電路的智能功率模塊(IPM)正變得越來越重要。作為IPM驅(qū)動電機(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IPM模塊越來越高的開啟關(guān)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(fā)[3-4],該誤觸發(fā)可能會導(dǎo)致半橋電路的橋臂直通,直通瞬間的大電流就會導(dǎo)致整個電路的損壞。另外,過高的開關(guān)轉(zhuǎn)換速率也會導(dǎo)致IGBT關(guān)斷狀態(tài)下產(chǎn)生動態(tài)雪崩擊穿。本文通過對半橋電路結(jié)構(gòu)的分析并結(jié)合IGBT安全工作區(qū)模型,通過該模型,本文提出了一種可以動態(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(qū)動電路的等效電阻,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)動電路,當(dāng)上橋臂IGBT1突然導(dǎo)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(diǎn)C處產(chǎn)生一個較大的 dV/dt(即dVCE/dt)。此時,由于IGBT2柵漏寄生電容CGC的存在,下橋臂IGBT2的柵極在G點(diǎn)的電壓也會被瞬間抬升,如果G點(diǎn)的電位超過IGBT2閾值電壓(即 Vth ),IGBT2將會導(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, iG 為從G點(diǎn)流向電阻 RG 的電流。
初始條件為: t = 0 , VGE = 0 , iG = 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
對于公式(3),當(dāng)
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(guān),而柵極電壓 VGE 的持續(xù)時間與 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 較大時將會使柵極電壓 VGE 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 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,電流在電阻 Rd 上的壓降則會使晶體管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,IGBT集電極電流會持續(xù)上升,造成功率管功耗迅速上升,導(dǎo)致器件失效。
對于圖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,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(dá)到IGBT2閾值電壓 VTH ,IGBT2將會開啟,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,短路時間tSC過長則會導(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(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)動電阻 RG 的方向著手。但是過小的柵極驅(qū)動電阻 RG ,有可能會在圖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 dV/dt 檢測電路,當(dāng)C點(diǎn)電壓的 dV/dt 迅速上升時,將會在電路中的H點(diǎn)處產(chǎn)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(diǎn)處電壓的dV/dt的上升而增大,當(dāng) VH ≥V th ( Vth 為晶體管M2的閾值電壓)時,晶體管M2導(dǎo)通,M2的導(dǎo)通電阻 ro 與 RG 并聯(lián), RG 的等效電阻為R*G。由于M2的導(dǎo)通電阻 ro 很小,從而瞬間減小了R*G 阻值,此時
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,晶體管M2關(guān)斷,從而不會出現(xiàn)由于電阻 RG 過小而導(dǎo)致在G點(diǎn)處出現(xiàn)諧振的問題。
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)時啟動,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。
參考文獻(xiàn)
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[5]任少東.功率IGBT驅(qū)動電路設(shè)計[D],電子科技大學(xué),2017.
本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第46頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。
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