有源鉗位技術(shù)解析

作者：Littelfuse客戶經(jīng)理Rambo Liu

在風(fēng)電、光伏、新能源汽車、工業(yè)變頻等大功率應(yīng)用場合，主電路中母線電容到功率器件間存在較大雜散電感 (幾十到幾百nH)。功率器件在關(guān)斷時，由于雜散電感Ls的存在，通過Ls*di/dt感應(yīng)產(chǎn)生浪涌電壓，此感應(yīng)高電壓與前端母線電容電壓方向一致，因此功率器件兩端疊加的電壓尖峰會超過母線電壓，在過流或短路發(fā)生時甚至可能會超過功率器件的耐受電壓而導(dǎo)致?lián)p壞。功率器件保護方式有RC吸收回路、軟開關(guān)以及飽和壓降檢測限流等，其中RC吸收回路具有以犧牲回路效率為代價，同時可能帶來吸收回路溫度過高的風(fēng)險。有源鉗位可以直接加在驅(qū)動回路里面，通過延緩驅(qū)動關(guān)斷來吸收浪涌能量，能夠有效減小尖峰電壓起到保護作用，因此有源鉗位方案具有占用面積小、成本低、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點。

半橋電路工作時序

下圖為典型的直流變換器，輸入三相橋式整流，后端半橋，輸出采用全波整流，其中輸入每相增加保險絲作為過流與短路保護，相地間增加壓敏作為防雷擊保護，此雷擊通常指感應(yīng)雷。

由于直流母排到IGBT以及IGBT本身存在雜散電感，根據(jù)電感續(xù)流的特性，在IGBT關(guān)斷瞬間會在CE兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓尖峰，雜散電感用Ls表示，等效電路圖如下。

母線電壓Vs，電容C1與C3分壓，在Q1與Q2 IGBT單個導(dǎo)通的時候，另外一個IGBT的穩(wěn)態(tài)電壓Vce為Vs，當Q1與Q2同時關(guān)斷時，Vce電壓為1/2Vs。

對半橋電路IGBT工作時序展開分析：

1. IGBT Q2關(guān)斷，Q1開通，此時1/2*Vs通過IGBT Q1對變壓器原邊充電，原邊電流Ip持續(xù)增加，此時雜散電感Ls跟著一起充能，IGBT Q2兩端電壓為1/2*Vs。

2. Q2關(guān)斷，Q1由導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時變壓器電流Ip達到最大值，由于電感電流不能突變的特性，變壓器原邊漏感與電容C3以及IGBT Q2體二極管構(gòu)成放電回路，此時IGBT Q2輸出電容Coss從1/2*Vs放電到二極管導(dǎo)通壓降Vd。相應(yīng)的電源Vs、IGBT Q1、Q2以及雜散電感Ls構(gòu)成放電回路，因為Q2兩端電壓逐步下降到二極管壓降Vd，Q1電壓逐漸上升到母線電壓(Vs-Vd)，同時由于雜散電感Ls的續(xù)流特性，推高Q1兩端電壓超過母線電壓，在過流或短路發(fā)生時甚至有可能造成IGBT損壞。

3. Q2關(guān)斷，Q1關(guān)斷，變壓器原邊漏感放電到歸零，電容C3通過漏感以及Q2結(jié)電容構(gòu)成充電回路，逐步把Q2電壓推到1/2*Vs，Q1電壓從Vs下降到1/2*Vs達到平衡狀態(tài)，變壓器原邊電流Ip下降到0。

4. Q2開通，Q1關(guān)斷，電容C3、IGBT Q2與變壓器原邊構(gòu)成充電回路，Q2電壓下降到飽和壓降，Q1電壓逐步上升到母線電壓Vs，此時Q2兩端Vce由于寄生電感電容的存在會有小電壓尖峰，變壓器原邊電流Ip持續(xù)上升，線路雜散電感分布于整個線路當中，這里等效電感位置移至下方電壓負端便于分析。

5. Q2由導(dǎo)通切換到關(guān)斷，Q1關(guān)斷，與工作時序2一樣，初始電流Ip為最大值，原邊漏感與Q1體二極管、電容C1構(gòu)成放電回路，Q1電壓下降到Vd，Q2電壓由于雜散電感的存在電壓上升超過(Vs-Vd)，尖峰電壓達到最大。

6. Q2關(guān)斷，Q1關(guān)斷，漏感能量消耗完，母線電壓通過IGBT Q1與Q2結(jié)電容構(gòu)成分壓回路，Vce電壓達到1/2*Vs，接下來就重復(fù)時序1的步驟。

IGBT有源鉗位電路的意義

IGBT有源鉗位的核心是檢測Vgc壓降，通過延緩IGBT關(guān)斷，限制因為高di/dt引起的電壓尖峰。

(1)有源鉗位電路設(shè)計要點是在正常工作條件下盡量不參與動作，從而減少關(guān)斷電壓與電流的重疊面積，達到減少損耗提高效率的目的。由于系統(tǒng)雜散電感的存在，IGBT兩端不可避免會承受超過母線的尖刺電壓，正常工況下通過合理布板與母排設(shè)計可以減小此寄生電感，同時通過驅(qū)動電阻的合理選配達到IGBT兩端電壓在關(guān)斷時不超過其耐壓，使其處于安全工作區(qū)。

(2)在母線電壓過高時，通過雜散電感疊加到IGBT兩端的電壓可能會達到很高水平，作為電壓敏感型器件，超過Vce耐壓會使其損壞。有源鉗位的目的是通過檢測集電極電壓限值，通過TVS導(dǎo)通給驅(qū)動回路提供電流，使其延緩關(guān)斷，起到減小電壓尖峰的作用。

(3)有源鉗位電路是把TVS串聯(lián)于IGBT門極與集電極，此TVS通常選擇小功率400~600W即可。另外一種常見的保護方式是在IGBT CE兩端并聯(lián)吸收回路，此回路不僅功率要求大同時占板面積大，有源鉗位通過大功率IGBT本身來消耗此多余的能量，可以有效減少線路元件數(shù)量與散熱要求。

有源鉗位工作時序

如下為典型的有源鉗位電路，此電路里面采用2個TVS串聯(lián)構(gòu)成，其優(yōu)點體現(xiàn)在可以耐受更高回路電壓，同時可以吸收更大的浪涌能量。其工作原理為：在IGBT集電極電壓過高時TVS被擊穿，通過限流電阻流進門極，門極電容被充電，在門極電阻Rg兩端疊加左負右正電壓，因此Vge電壓得到抬升，從而使IGBT延緩關(guān)斷，di/dt斜率變緩，雜散電感產(chǎn)生的電壓尖峰減小。

下圖為有源鉗位動作時IGBT的電流電壓波形，初始狀態(tài)IGBT處于開通狀態(tài)，此時電路處于充電狀態(tài)，Ice持續(xù)增加，Vce為飽和壓降。

1. t0開始驅(qū)動關(guān)斷，驅(qū)動電壓Vge開始下降，IGBT由飽和區(qū)進入線性區(qū)，此時Vce電壓與Ice交叉構(gòu)成損耗積分，Vce電壓從飽和壓降上升，逐步達到TVS擊穿動作值。

2. t1開始超過TVS擊穿電壓，此時擊穿電流給門極充電，Vge電壓抬升，Vce電壓繼續(xù)提升至峰值，集電極電流Ice以斜率k1速度開始下降。

3. t2開始由于擊穿電流的疊加，驅(qū)動下降得到延緩，此時集電極電流Ice以斜率K2速度下降，可見此時k2斜率要小于k1，IGBT Vce電壓從峰值電壓下降到鉗位電壓。

4. t3開始回路電流下降為0，此時Vce電壓下降到母線電壓，TVS恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)，漏電流下降到微安級別，門極驅(qū)動斜率恢復(fù)，驅(qū)動電壓下降到開啟電壓以下，IGBT徹底關(guān)斷。

從上述時序展開分析可以看出，IGBT關(guān)斷是從飽和導(dǎo)通區(qū)切換到截止區(qū)，在這個過程需要跨越線性區(qū)，有源鉗位的本質(zhì)是增加此線性區(qū)時間來吸收回路中多余的浪涌能量，此較高的能量通過IGBT來吸收可以減少對外部元件布局與散熱的需求。

IGBT關(guān)斷時，主回路中雜散電感中所存儲的能量都需要有釋放的路徑，最常見的就是在IGBT CE兩端產(chǎn)生電壓尖峰，在關(guān)斷的過程中，這些能量都以關(guān)斷損耗的形式耗散在IGBT上。對于電壓敏感型器件，過高的尖峰電壓會損耗IGBT，因此有源鉗位就是將高而窄的電壓脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榘鴮挼拿}沖，這個過程中耗散掉的能量仍然是雜散電感所存儲的能量。

對于半橋或全橋電路來說，很多人可能有一個誤解，認為有源鉗位工作時會把IGBT重新打開，導(dǎo)致兩個半橋IGBT直通的現(xiàn)象。從前面的時序分析可以看出，有源鉗位在動作時IGBT還處于線性區(qū)，只是線性區(qū)有所延緩，另外一個IGBT并不會在此時導(dǎo)通。有源鉗位動作的時間通常不會超過300ns，而IGBT上下管之間的死區(qū)時間通常在3us以上，該時間差足以保證IGBT不會出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。

有源鉗位應(yīng)用案例與改進型方案

假定變頻器應(yīng)用條件，選定IFX FF600R12ME7 1200V 600A 半橋IGBT模塊，TVS為Littelfuse SMBJ300CA 峰值功率Pppm為600W 工作電壓Vr 300V，已知條件如下：

回路母線電壓最大為600V。

回路雜散電感為100nH，從規(guī)格書可以看出IGBT漏感為20nH，因此疊加到IGBT上的總雜散電感為120Nh。

IGBT選定外置驅(qū)動電阻Rgoff為0.51?。

IGBT關(guān)斷di/dt為7800A/us。

TVS 擊穿電壓Vbr 335~371V @it 1mA。

TVS鉗位電壓電流為Vc 486V @ Ipp 1.3A。

回路當中如果沒有TVS有源鉗位，此時IGBT兩端電壓Vce為母線電壓與雜散電感產(chǎn)生電壓Vls疊加。

Vce=Vdc+Ls*di/dt=1536V

可見此電壓超過1200V的耐壓會導(dǎo)致IGBT損壞。

在門級串聯(lián)2個SMBJ300CA之后，當IGBT關(guān)斷時集電極電壓超過擊穿電壓，TVS即被擊穿，隨著擊穿電壓的提升，其擊穿電流也上升，對于門極關(guān)斷的延緩效果就越明顯。

IGBT驅(qū)動電流通常為幾個安培，因此這里選定TVS鉗位電流為2A，通過等效內(nèi)阻計算，其中擊穿電壓Vbr為335V換算到Vc為567.3V, 當Vbr為371V對應(yīng)的Vc為547.92V，具體鉗位電壓換算方法可以參考TVS選型計算文檔。兩個TVS串聯(lián)后的電壓為1124.6V，小于IGBT本身耐壓1200V，因此在延緩IGBT關(guān)斷的同時可以起到很好的保護作用。

實際電路中有可能會碰到TVS動作保護電壓遠高于TVS鉗位電壓的情況，但是由于尖峰電壓通常為ns級，通過功率脈沖寬度曲線可以看到在1us脈沖下，SMBJ系列脈沖功率可以超過10kw，因此在有源鉗位保護電路中可以選擇功率與尺寸小的TVS，SMBJ系列相對比較常用。

對于工作電壓與鉗位保護電壓要求比較接近的應(yīng)用，比如母線電壓還是600V，回路當中采用1000V IGBT，顯然TVS在達到鉗位電壓1124.6V時會導(dǎo)致IGBT損壞，同時由于TVS工作電壓要高于600V的工作電壓，以免TVS在正常工作情況下?lián)舸?dǎo)致其過熱損壞。此時就可以考慮引入改進型有源鉗位電路。

這個電路的特點是，將TVS的電流通過電阻R1引至驅(qū)動IC推動級的前級，相當于給TVS的電流增加了一級增益。這可以減少流過TVS的電流，通過縮窄TVS工作電壓Vr與保護電壓Vc1的幅值，提高這個電路對于尖峰電壓的保護效果。我們也知道驅(qū)動電路推挽電路具有輸入與輸出的時間延遲與相位滯后，對于浪涌能量較大的情況可能會導(dǎo)致IGBT電壓上升過快而損壞，此時保留電阻R2，當IGBT兩端電壓遠超擊穿電壓時，可以在前級動作前起到延緩IGBT關(guān)斷的作用。該改進型的兩級保護可以起到更好的保護效果，同時也要時刻關(guān)注正常工作電壓下TVS的漏電流對于驅(qū)動電路的影響，對于TVS的電壓選型更為嚴苛。

審核編輯：湯梓紅