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三相正弦波逆变器瞬态的共同导通问题设计方案

时间:09-22 来源:互联网 点击:

  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

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