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

王定良

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IGBT的误触发。另外，过高的dV/dt也会在IGBT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IGBT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可靠性。

关键词：IGBT;误触发;dv/dt;可靠性

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。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器件的误触发，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电路工作时的可靠性。

1dV/dt吴触发模型分析

常用的IPM智能模块中的半桥IGBT功率模块如图1所示，其中，IGBTl和IGBT2、IGBT3和IGBT4、IGBT5和IGBT6分别为半桥电路的三组半桥，FRDl～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CCE、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。

功率管IGBTl和功率管IGBT2共同构成了一组半桥驱动电路，当上桥臂IGBTl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。

从上述公式中可以得知，栅极电压V的峰值与栅极电阻R、寄生电容C以及dV/dt正相关，而栅极电压V的持续时间与dV/dt负相关。通常我们认为栅极电压VGE与dV/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。

2IGBT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處于关断状态时，若上桥臂IGBTl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。

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。

正偏安全工作区：由IGBT集电极最大电流、IGBT集电极一发射级电压和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对时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CGS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。

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：

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≥Vth（Vth为晶体NM2的阈值电压）时，晶体管M2导通，M2的导通电阻ro与RG并联，的等效电阻为RG*。由于M2的导通电阻RO很小，从而瞬间减小了RG*阻值，此时 RG*=RG//ro（14） 由于电阻RG*的减小，根据公式（3）可知，将有效减小c处的dV/出耦合到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/df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心过小而导致在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。