三相正弦波逆变器瞬态的共同导通问题设计方案

　　在三相正弦波逆变器瞬中瞬态共同导通往往是被忽略的问题，因为瞬态过程很难捕捉。

　　以半桥变换器为例，其典型驱动电路如下图a）所示，理想的栅极电压波形如下图（b）所示。

　　但是，在实际测试中的栅极电压波形则如下图所示。

　　图中，圆圈处的电压尖峰就是其中一个MOSFET开通时，引起处于关闭状态的另一个MOSFET的栅极电压尖峰。如果这个电压尖峰超过MOSFET的导通阈值电压（特别是在结温较高时，阈值电压下降到常温的2/3），原处于关断的MOSFET将被触发导通，就会产生桥臂的两个MOSFET瞬态共同导通现象，即使仅导通数十纳秒也很可能损坏MOSFET.由于使MOSFET损坏的时刻是随机的，故通常很难找到故障的真正原因。

　　产生这种现象的根本原因是MOSFET漏极电压迅速上升，并产生电容电流，通过MOS-FET的反向传输电容与输入电容分压，在MOSFET的栅一源极间产生电压。

　　1.瞬态共同导通产生的原因与分析

　　可以通过MOSFET的动态模型进行分析，MOSFET的动态模型如下图所示。

　　图中，Cgs、Cgd、Cds、Rg分别为MOSFET内部的的栅/源电容、栅/漏电容、输出电容和MOSFET的栅极体电阻。

　　在VF1开通阶段，尽管VF2处于关断状态，VF2的寄生二极管导通续流。由于VF1的开通，VF2的漏极电压急速上升，这个高幅值的dv/dt将通过VF2的寄生参数对VF2的栅极电压造成影响，其等效电路如下图所示。

　　图中的Rext为驱动电路内阻和驱动电路与MOSFET间串联电阻之和。

　　由于MOSFET在开通时并不能立即导通，因此可认为是一个线性上升的函数。这一阶段的等效电路如下图（a）和下图（b）所示，同时可以认为VF2的栅极电压为O.

　　图（b）的等效电路变为一个简单的RC回路，其节点和回路方程为

　　解式（18-8）的微分方程，开通过程完成时幅值最大，即t=Tm时，其Vgsmax为

　　很显然，Vgsmax的幅值为V通过Cgd、Cgs所得到的分压值。

　　当C.dv/dt引起的栅极电压超过了VF2的导通阈值电压，在VF1开通时，VF2也将开通。这样，输入电源将经过VF1、VF2流过一个大的穿通电流，同时，VF1还承担负载电流。

　　这样，VF1、VF2的功耗增加，又导致结温升高，使整个电源的效率下降，甚至会损坏MOSFET.

　　解决方案

　　综上所述，需要采取措施消除由于C.dv/dt造成的误导通。其基本方法为：尽可能地采用Crss/Ciss比值小的MOSFET；降低Rt. （Cgdd+Cgs）时间常数，即减小Rt的阻值；减缓MOS-FET漏极电压的上升速率；采用负极性电压维持MOSFET的关断，将C.dv/dt所产生的电压尖峰施加负的初始电压，使其峰值不超过MOSFET的导通阈值电压Vth.

　　采用Crss/Ciss比值小的MOSFET

　　实际上，早期MOSFET的Cgd/（Cgd+Cgs）的比值往往小于Vth/Vm的比值，如400V/10A的IRF740，其Cgd为 120pF；Cgs为1400pF；Cgd/（Cgd+Cgs）为0.0789，这个数值远高于IRF740的3.5V的导通阈值电压与180~200V 峰值漏极电压变化值的比值。因此在驱动速度极快时，引起IRF740误导通的栅极电压最高可以达到约14V.如果不加以限制，误导通将是必然的。

　　如果选用近几年问世的低栅极电荷的MOSFET，这种情况将大大改善，如ST的STP12NM50的Cgd为20pF，Cgs为 lOOOpF，Cgd/（Cgd+Cgs）为0.0196，约为Vth/Vm，即使在快速驱动条件下也不会产生误导通现象。因此，选择性能优异的 MOSFET是第一选择。

　　也可以采用加大MOSFET栅一源间外加电容的方式减小Crss/Ciss比值，但是这样将降低MOSFET的开关速度，增加开关损耗。这种方式仅限于早期的MOSFET桥式变换器的应用，从提高变换器效率角度考虑，一般不推荐采用。

　　采用高导通电压阈值的MOSFET和双极性电压驱动

　　提高MOSFET的导通电压阈值也是抑制或消除MOSFET误导通的一个好办法。如果将常温导通阈值电压从3.SV提高到4~4.5V，则MOSFET误导通的可能性就会大大降低。对于耐压在400V以上的MOSFET，比较高的导通阈值电压一般不会引起MOSFET损耗的增加。

　　在功率较大的桥式变换器的应用中经常采用双极性电压驱动，即在MOSFET关断期间，MOSFET栅极一源极电压保持在负极性电压值。这样，MOSFET 误导通就从原来MOSFET本身的导通阈值电压变为导通阈值电压加负偏置电压。例如，采用-15V关断电压值，则令MOSFET误导通的电压至少要达到 18.5V，这是几乎不可能达到的干扰电压值。下图所示的实测栅极电压波形证实了这一点。

从图中可以看到，上图形中的误导通电压值接近4.5V，已经超过MOSFET的导通电压阈值，出现瞬态共同导通现象。在图波形中，仅有不到1V的电压尖峰，甚至可以完全消除这个尖峰。其原