有源鉗位抑制IGBT浪涌電壓原理現(xiàn)詳解

我們都知道，IGBT關(guān)斷時，集電極電流的下降率較高，在較大功率的情況下，由于主回路存在較大的雜散電感(為什么要盡量降低雜散電感的一個原因)，從而集電極和發(fā)射極產(chǎn)生很大的浪涌電壓，甚至?xí)^IGBT的額定集射極電壓，所以IGBT集射極過壓保護(hù)是設(shè)計(jì)時不容忽略的一個問題，今天我們就來聊一聊最通用的措施——有源鉗位。

IGBT浪涌電壓的產(chǎn)生原理

如下圖：

IGBT關(guān)斷浪涌電壓是由于IGBT關(guān)斷時主電路電流急劇變化。 在主電路的雜散電感上產(chǎn)生高電壓而造成的，上圖所示，半橋電路接一相負(fù)載。 設(shè)開關(guān)管VT1關(guān)斷時，VT1集電極電流ic迅速下降，主電路雜散電感感應(yīng)出電壓為：

uσ=Lσ*dic/dt

dic/dt為集電極電流變化率。 則VT1集射極之間的電壓為：

uc=Udc+Lσ*dic/dt

可間，集射極電壓uce超過了Udc，出現(xiàn)浪涌電壓，如下圖所示

特別是當(dāng)關(guān)斷IGBT時，若主電路短路,i很大,使其下降率更大，uσ更高，uce很容易超過IGBT額定集射極電壓，導(dǎo)致IGBT損壞。

傳統(tǒng)的無源緩沖吸收電路在大功率情況下，吸收IGBT關(guān)斷浪涌電壓時損耗較大，而且吸收電路占用較大體積。

目前國內(nèi)外生產(chǎn)的大功率IGBT驅(qū)動器采用檢測導(dǎo)通飽和壓降的方法進(jìn)行短路保護(hù)及軟關(guān)斷。 IGBT關(guān)斷時若發(fā)生短路，則會出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)，易造成IGBT損壞。 采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)有源箝位的方法，能夠較好地抑制浪涌電壓，而且能解決IGBT關(guān)斷時發(fā)生短路而導(dǎo)致驅(qū)動器短路保護(hù)失效的問題。 有源箝位電路可以直接在驅(qū)動器上設(shè)計(jì)，節(jié)省體積，損耗小，成本低，抑制速度快，可靠性較高。

有源鉗位抑制IGBT浪涌電壓原理

IGBT是電壓控制型開關(guān)器件. 開通門極電壓閾值典型值是5~7V。 開通和關(guān)斷門極電壓推薦值為±15V。 通過改變門極電壓Vg，即可對IGBT的開通和關(guān)斷過程進(jìn)行控制。

1最基本的

下圖是最基本的有源鉗位電路，只需要TVS管和普通快恢復(fù)二極管即可實(shí)現(xiàn)：

其原理是：

當(dāng)集電極電位過高時，TVS被擊穿，有電流流進(jìn)門極，門極電位得以抬升，從而使關(guān)斷電流不要過于陡峭，進(jìn)而減小尖峰。

當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受高能量沖擊時. 它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端電壓箝位在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)電路元件的安全。 為達(dá)到較高箝位值，通常采用多個TVS串聯(lián)。

這個鉗位的過程可以看成是一個簡單的負(fù)反饋。 如下圖：

給定是TVS的擊穿點(diǎn)，被控對象是集電極電位。

當(dāng)有源鉗位電路工作時，Vz≈Vce，也就是說，TVS上的電壓就是IGBT集電極上的電壓，換句話說，能控制住Vz，就能控制住Vce。

下圖是TVS管的外特性，其中有2個不同的工作點(diǎn)。 工作點(diǎn)1的擊穿電流比較小，工作電壓比較低，而工作點(diǎn)2的工作電壓則比較高。

在有源鉗位應(yīng)用中，我們則希望TVS管能工作在額定的擊穿點(diǎn)附近，而不希望TVS被深深地?fù)舸?如果TVS被擊穿后電流劇烈增大，那么TVS則會從工作點(diǎn)1下探至工作點(diǎn)2，其電壓也會強(qiáng)烈上升，這意味著IGBT的CE電壓也會上升，這時就達(dá)不到IGBT鉗位的效果了。

基本的有源鉗位電路存在著一些缺點(diǎn)：

首先，有源鉗位電路工作在IGBT關(guān)斷的瞬間，在這個時刻里，IGBT驅(qū)動器的最后一級推動級的三極管的下管是開著的，而TVS的電流一部分流入門極，另一部分則被這個三極管旁路掉了。

顯然，由于這個支路的阻抗很低，因此TVS的電流大部分被這個三極管"吃掉了"。 TVS的電流增大導(dǎo)致其擊穿電壓持續(xù)上升，鉗位效果就大打折扣了。

其次，TVS管的功耗非常大，導(dǎo)致必須選取很大個頭的TVS，導(dǎo)致物料比較貴，難以購買，誤差偏大，結(jié)電容過高等缺點(diǎn)。

2改進(jìn)型(一)

將TVS的電流引至推動級的前級，這相當(dāng)于給TVS的電流增加了一級增益，如下圖：

但是這樣仍有缺點(diǎn)：

①最前級的推動電路會旁路掉一部分TVS的電流;

②有源最后一級的推動級的時間延遲，相位滯后，會導(dǎo)致主電路產(chǎn)生振蕩。

3改進(jìn)型(二)

如下圖所示：

VD連接兩個分支電路：一個支路經(jīng)阻抗接到驅(qū)動電路前級側(cè)，通過驅(qū)動電路的增益，來減小TVS電流和功耗; 另一支路經(jīng)阻抗直接接門極，可做到無延遲地提升門極電壓。

這個電路增加了一個內(nèi)饋回路，使電路的動態(tài)性能更好。 TVS的電流很快就能流入門極，電路的響應(yīng)更快。 圖騰柱推動級的加入為TVS提供了電流增益。

4較先進(jìn)點(diǎn)的

當(dāng)然，還有有源鉗位芯片搭建的有源鉗位電路，如下圖：

當(dāng)TVS被擊穿時，電流IAAC會流進(jìn)ASIC(專用集成電路)的AAC單元。 該單元會根據(jù)IAAC的大小操縱下管Mosfet。 當(dāng)該電流大于某一值時，下管Mosfet開始被線性地關(guān)斷，

當(dāng)電流大于某一較大值時，下管Mosfet完全關(guān)閉。

此時門極處于開路狀態(tài)，Iz會向門極電容充電，使門極電壓從米勒平臺回到+15V，從而使關(guān)斷電流變緩慢，達(dá)到電壓鉗位的效果。 這個電路的特點(diǎn)是TVS的負(fù)載非常小，TVS的工作點(diǎn)非常接近額定點(diǎn)，鉗位的準(zhǔn)度大大提高。

5動態(tài)有源鉗位

在一些應(yīng)用中，例如太陽能逆變器，APF，牽引變流器等，母線電壓有時可能會處在比較高的水平，會高于有源鉗位動作的電壓點(diǎn)，此時若不加處理，有源鉗位電路會進(jìn)入連續(xù)動作狀態(tài)，此時ASIC會有很大的風(fēng)險(xiǎn)，很容易損壞，我們必須設(shè)法回避這種情況的發(fā)生。

我們將有源鉗位的動作門檻設(shè)置成動態(tài)的，如下圖：

在IGBT導(dǎo)通時，門檻降低為Vth2，在IGBT關(guān)斷后，延遲一段時間，然后將有源鉗位的動作門檻提高到Vth1。 這樣IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)時，其有源鉗位電路的動作門檻電壓是有區(qū)別的。 這樣并不影響有源鉗位電路的本意，因?yàn)镮GBT在關(guān)斷瞬間，鉗位門檻是Vth2。 如果母線電壓升高，IGBT在關(guān)斷態(tài)時，鉗位電路的門檻又比較高。

根據(jù)不同的應(yīng)用場合，對于有源鉗位的準(zhǔn)度和效率需求的不同，我們可以選擇合適的鉗位方式。 以上便是關(guān)于有源鉗位的(Active Clamping)的介紹，希望你們能夠喜歡。