三相正弦波逆变器瞬态的共同导通问题解决方案-技术方案

精品文档-下载后可编辑三相正弦波逆变器瞬态的共同导通问题解决方案-技术方案导读：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，本文介绍的解决方案的缺点是电路相对复杂，电路成本略高于其他解决方案，但是这种解决方案是有效的。

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，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