CN110311545B - 一种dv/dt噪声检测与消除电路 - Google Patents

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Abstract

一种dv/dt噪声检测与消除电路，用于桥式电路，桥式电路包括N组桥臂，每组桥臂包括上功率管和下功率管，N为正整数；dv/dt噪声检测与消除电路包括N个dv/dt噪声检测与消除单元，分别用于检测与消除桥式电路中N组桥臂的dv/dt噪声；第i个dv/dt噪声检测与消除单元包括第一电阻、第一电容和第一NMOS管，第一NMOS管的漏极连接第i组桥臂中下功率管的栅极，第一NMOS管的栅极一方面通过第一电容后连接第i组桥臂中下功率管的漏极，另一方面通过第一电阻后连接第一NMOS管的源极和第i组桥臂中下功率管的源极，i∈[1，N]。本发明能够在桥式电路由较大dv/dt影响而使功率管误触发时检测到这一现象并启动以消除dv/dt影响，有效降低了桥臂直通的可能性，提高了桥式电路的可靠性。

Description

一种dv/dt噪声检测与消除电路
技术领域
本发明属于功率集成电路技术领域，涉及高压桥式驱动电路的抗dv/dt噪声干扰的解决方法，具体涉及一种dv/dt噪声检测与消除电路。
背景技术
在科技发展趋于自动化、智能化的今天，电机已经被应用到社会生产生活的各个领域，电机驱动电路的性能也受到更多关注。桥式电路是电机驱动电路的核心单元，其性能的好坏直接影响驱动电路整体的性能和稳定性。
以半桥电路为例进行说明，常用的半桥电路的结构如图1所示，半桥电路的两组桥臂分别是上功率管MN1与下功率管MN2、上功率管MN3与下功率管MN4为；FRD1～FRD4为快速恢复二极管。以上功率管MN1与下功率管MN2构成的这组桥臂为例，电阻RG由驱动电路内部的金属丝电阻和下功率管MN2栅极的欧姆接触电阻构成，电容Cgd、Cgs、Cds分别为下功率管MN2的栅漏寄生电容、栅源寄生电容、漏源寄生电容，电感Ls为金属线的寄生电感，电阻RDS为驱动电路的等效输出电阻。
上功率管MN1和下功率管MN2共同构成半桥电路的一组桥臂，当上功率管MN1导通时，下功率管MN2的漏极(D点)电压会被迅速抬升，造成D点产生一个较大的dv/dt。D点被抬升的同时也对下功率管MN2的栅漏寄生电容Cgd进行充电，从而使下功率管MN2的栅极(G点)电压也同时被抬升，如果G点的电位高于下管的阈值电压就会造成下功率管MN2导通，导致这一组桥臂的直通，过大的直通电流会造成整个驱动电路的烧毁。现有的检测消除dv/dt噪声电路主要应用在电平位移模块中，而对桥式电路中dv/dt噪声的研究较少。
发明内容
针对上述现有方案中对桥式电路中dv/dt噪声的研究较少，没有简单有效的方法能够解决过高的dv/dt可能会引起处于关态的桥式电路的功率管误开启，从而导致桥臂直通，直通的大电流会造成功率管的烧毁的问题，本发明通过分析桥式电路产生dv/dt噪声的原因，提出一种dv/dt噪声检测与消除电路，能够应用于桥式电路，将dv/dt噪声检测与消除单元针对性地应用到桥式电路的具体结构上改善具体的参数，能实现较好的抗dv/dt噪声能力。
本发明的技术方案为：
一种dv/dt噪声检测与消除电路，用于桥式电路，所述桥式电路包括N组桥臂，每组桥臂包括上功率管和下功率管，N为正整数；
所述dv/dt噪声检测与消除电路包括N个dv/dt噪声检测与消除单元，分别用于检测与消除所述桥式电路中N组桥臂的dv/dt噪声；
第i个所述dv/dt噪声检测与消除单元包括第一电阻、第一电容和第一NMOS管，第一NMOS管的漏极连接第i组桥臂中所述下功率管的栅极，第一NMOS管的栅极一方面通过第一电容后连接第i组桥臂中所述下功率管的漏极，另一方面通过第一电阻后连接第一NMOS管的源极和第i组桥臂中所述下功率管的源极，i∈[1，N]。
本发明的有益效果为：本发明通过分析桥式电路中dv/dt噪声产生的原因，将dv/dt检测与消除结构应用到对应的位置以改善产生dv/dt噪声的参数，能够在桥式电路由较大dv/dt影响而使功率管误触发时检测到这一现象并启动以消除dv/dt影响，有效降低了桥臂直通的可能性，提高了桥式电路的可靠性。仿真结果表明，本发明提出的dv/dt检测与消除电路至少能抑制功率管漏极出现30V/ns大小的dv/dt噪声。
附图说明
图1为传统半桥电路的寄生参数模型示意图。
图2为本发明提出的一种dv/dt噪声检测与消除电路中单个dv/dt噪声检测与消除单元的内部结构示意图。
图3为采用本发明提出的一种dv/dt噪声检测与消除电路与未采取措施下两种情况的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
图1为半桥电路的寄生参数模型。如图所示，以上功率管MN1和下功率管MN2构成的一组桥臂的情况为例进行说明，在下功率管MN2的栅端即G点处根据基尔霍夫电流，电压定律有以下关系式：
Figure BDA0002143463120000021
Figure BDA0002143463120000022
其中，Cgd、Cds、Cgs分别是下功率管MN2的栅漏寄生电容、漏源寄生电容、栅源寄生电容，Vds、VGS是下功率管MN2的漏源电压、栅源电压，RDS是驱动电路的等效输出电阻，iG为从G点流向电阻RG的电流。
设定初始条件为：t＝0，VGS＝0，iG＝0，进而可以根据式(1)、式(2)可以得到以下表达式：
Figure BDA0002143463120000031
公式(3)为VGS的通解形式，其中λ1、λ2为对应特征方程的根，C1、C2为常数。
从公式(3)可以得知，单组桥臂中下功率管MN2的栅极电压VGS的值与栅极电阻RG、驱动电路的等效输出电阻RDS、栅漏寄生电容Cgd成正相关。
根据以上分析得到了产生dv/dt噪声的参数，针对这些参数，本发明提出一种由电容、电阻、MOSFET构成的dv/dt检测与消除电路，本发明提出的dv/dt噪声检测与消除电路包括N个dv/dt噪声检测与消除单元，分别用于检测与消除桥式电路中N组桥臂的dv/dt噪声。其中单个dv/dt噪声检测与消除单元的结构如图2所示，以检测与消除上功率管MN1和下功率管MN2构成的这组桥臂的dv/dt噪声为例，连接上功率管MN1和下功率管MN2构成的这组桥臂的dv/dt噪声检测与消除单元包括第一电阻RL、第一电容CL和第一NMOS管MN0，第一NMOS管MN0的漏极连接下功率管MN2的栅极，第一NMOS管MN0的栅极一方面通过第一电容CL后连接下功率管MN2的漏极，另一方面通过第一电阻RL后连接第一NMOS管MN0的源极和下功率管MN2的源极。
第一电阻RL为限流电阻，第一电容CL为检测电容。本发明提出的dv/dt检测与消除单元的工作原理为：
当D点即下功率管MN2漏端电压VD迅速上升时，将会对第一电容CL进行充电，在H点即第一NMOS管MN0栅端处产生一个耦合电压VH，
Figure BDA0002143463120000032
VH的幅值会随着充电过程的进行而增大，当VH大于第一NMOS管MN0的阈值电压Vth时，第一NMOS管MN0导通，第一NMOS管MN0的导通电阻ro会并联到电阻(RG+RDS)上，等效为RG *
Figure BDA0002143463120000033
由于第一NMOS管MN0的导通电阻ro很小，所以RG *也大幅度减小。根据公式(3)可知，RG *的减小也将大幅度减小D点的dv/dt耦合到G点即下功率管MN2栅端的电压值，使G点电压降到小于下功率管MN2的阈值电压，保证下功率管MN2不被误触发。
其余dv/dt噪声检测与消除单元按照同样的方式将对应桥臂的dv/dt噪声进行检测和消除，从而实现整个桥式电路dv/dt噪声的检测和消除。
图3为功对本发明提出的一种dv/dt噪声检测与消除电路的仿真结果，分为上下两个波形上半部分波形是下功率管MN2漏极波形，模拟上功率MN1管开启时，下功率管MN2漏极被迅速抬升到高电压，电压值为300V，上升时间10ns，dv/dt大小为30V/ns。
下半部分波形是未采取措施情况时下功率管MN2栅极电压波形和采用本发明的电路后下功率管MN2栅极电压波形的对比：从图中可以看出未采取措施情况时下功率管MN2栅极在dv/dt噪声出现时被抬高到15V左右，并且持续较长时间，即使在栅极输入为0的情况下也会被强制开启，造成桥臂误触发；而采用本发明的电路后虽然漏极出现较大dv/dt时，下功率管MN2栅极电压起初有小幅度的增加，但dv/dt检测与消除单元检测到这一较大的dv/dt，并控制第一NMOS管MN0开启，在较短时间内使下功率管MN2栅极电压减小，有效地防止了桥臂的误触发。
综上所述，本发明提出的抗dv/dt电路解决方案，至少能在下功率管漏极出现30V/ns大小的dv/dt噪声时启动，将下功率管的栅极电压拉低，有效的减少了桥式电路发生误触发的可能性，提高了IPM模块的可靠性。
值得说明的是，实施例中虽然以半桥电路为例进行说明，但本发明提出的dv/dt噪声检测与消除也能应用于全桥电路；本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种dv/dt噪声检测与消除电路，用于桥式电路，所述桥式电路包括N组桥臂，每组桥臂包括上功率管和下功率管，N为正整数；
其特征在于，所述dv/dt噪声检测与消除电路包括N个dv/dt噪声检测与消除单元，分别用于检测与消除所述桥式电路中N组桥臂的dv/dt噪声；
第i个所述dv/dt噪声检测与消除单元包括第一电阻、第一电容和第一NMOS管，第一NMOS管的漏极连接第i组桥臂中所述下功率管的栅极，第一NMOS管的栅极一方面通过第一电容后连接第i组桥臂中所述下功率管的漏极，另一方面通过第一电阻后连接第一NMOS管的源极和第i组桥臂中所述下功率管的源极，i∈[1，N]；
所述第i组桥臂中，上功率管导通时，下功率管漏极处产生dv/dt噪声，使得下功率管漏极处电压上升并对第i个所述dv/dt噪声检测与消除单元中第一电容充电；第i个所述dv/dt噪声检测与消除单元中，第一电容的电压升高使得第一NMOS管的栅极电压上升，当第一NMOS管的栅极电压升高到大于第一NMOS管的阈值电压时第一NMOS管导通，这时第i个所述dv/dt噪声检测与消除单元中第一NMOS管的导通电阻并联到第i组桥臂中下功率管的栅极和源极之间，使得第i组桥臂中下功率管的栅极电压降低至下功率管的阈值电压以下，保证第i组桥臂中下功率管不被误触发。
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