關于半橋電路中抗dV/dt噪聲干擾的安全工作區分析及其解決方案

王定良

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。基于對公式與IGBT擎住現象的分析，并結合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

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。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，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并結合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。

1dV/dt吳觸發模型分析

常用的IPM智能模塊中的半橋IGBT功率模塊如圖1所示，其中，IGBTl和IGBT2、IGBT3和IGBT4、IGBT5和IGBT6分別為半橋電路的三組半橋，FRDl～FRD6為快恢復二極管：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IGBTl和功率管IGBT2共同構成了一組半橋驅動電路，當上橋臂IGBTl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，由于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，由于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模塊失效中占有相當的比例。

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，而柵極電壓V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。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諧振現象。

2IGBT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晶體管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晶體管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上的壓降則會使晶體管T2導通，從而使得晶體管T2和T3處于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。

對于圖2中所示的半橋電路，在半橋電路下橋臂IGBT2處于關斷狀態時，若上橋臂IGBTl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能承受的電流電壓范圍就是安全工作區。IGBT的安全工作區由正偏安全工作區和反偏安全工作區。

正偏安全工作區：由IGBT集電極最大電流、IGBT集電極一發射級電壓和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對時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器件的制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CGS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及晶體管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≥Vth（Vth為晶體NM2的閾值電壓）時，晶體管M2導通，M2的導通電阻ro與RG并聯，的等效電阻為RG*。由于M2的導通電阻RO很小，從而瞬間減小了RG*阻值，此時 RG*=RG//ro（14） 由于電阻RG*的減小，根據公式（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安全工作區的范圍，從而有效的減小由于dV/df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，晶體管M2關斷，從而不會出現由于電阻心過小而導致在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，能在半橋電路由于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。