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有源钳位抑制IGBT浪涌电压原理现详解

作者:fanxiaoxi 时间:2024-06-11 收藏

我们都知道,IGBT关断时,集电极电流的下降率较高,在较大功率的情况下,由于主回路存在较大的杂散电感(为什么要尽量降低杂散电感的一个原因),从而集电极和发射极产生很大的浪涌电压,甚至会超过IGBT的额定集射极电压,所以IGBT集射极过压保护是设计时不容忽略的一个问题,今天我们就来聊一聊最通用的措施——有源钳位。

IGBT浪涌电压的产生原理

如下图:

IGBT关断浪涌电压是由于IGBT关断时主电路电流急剧变化。 在主电路的杂散电感上产生高电压而造成的,上图所示,半桥电路接一相负载。 设开关管VT1关断时,VT1集电极电流ic迅速下降,主电路杂散电感感应出电压为:

uσ=Lσ*dic/dt

dic/dt为集电极电流变化率。 则VT1集射极之间的电压为:

uc=Udc+Lσ*dic/dt

可间,集射极电压uce超过了Udc,出现浪涌电压,如下图所示

特别是当关断IGBT时,若主电路短路,i很大,使其下降率更大,uσ更高,uce很容易超过IGBT额定集射极电压,导致IGBT损坏。

传统的无源缓冲吸收电路在大功率情况下,吸收IGBT关断浪涌电压时损耗较大,而且吸收电路占用较大体积。

目前国内外生产的大功率IGBT驱动器采用检测导通饱和压降的方法进行短路保护及软关断。 IGBT关断时若发生短路,则会出现保护死区,易造成IGBT损坏。 采用瞬态电压抑制器(TVS)有源箝位的方法,能够较好地抑制浪涌电压,而且能解决IGBT关断时发生短路而导致驱动器短路保护失效的问题。 有源箝位电路可以直接在驱动器上设计,节省体积,损耗小,成本低,抑制速度快,可靠性较高。

有源钳位抑制IGBT浪涌电压原理

IGBT是电压控制型开关器件. 开通门极电压阈值典型值是5~7V。 开通和关断门极电压推荐值为±15V。 通过改变门极电压Vg,即可对IGBT的开通和关断过程进行控制。

1最基本的

下图是最基本的有源钳位电路,只需要TVS管和普通快恢复二极管即可实现:

其原理是:

当集电极电位过高时,TVS被击穿,有电流流进门极,门极电位得以抬升,从而使关断电流不要过于陡峭,进而减小尖峰。

当TVS管两端经受高能量冲击时. 它能以极高的速度使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端电压箝位在一个预定的数值上,从而保护电路元件的安全。 为达到较高箝位值,通常采用多个TVS串联。

这个钳位的过程可以看成是一个简单的负反馈。 如下图:

给定是TVS的击穿点,被控对象是集电极电位。

当有源钳位电路工作时,Vz≈Vce,也就是说,TVS上的电压就是IGBT集电极上的电压,换句话说,能控制住Vz,就能控制住Vce。

下图是TVS管的外特性,其中有2个不同的工作点。 工作点1的击穿电流比较小,工作电压比较低,而工作点2的工作电压则比较高。

在有源钳位应用中,我们则希望TVS管能工作在额定的击穿点附近,而不希望TVS被深深地击穿。 如果TVS被击穿后电流剧烈增大,那么TVS则会从工作点1下探至工作点2,其电压也会强烈上升,这意味着IGBT的CE电压也会上升,这时就达不到IGBT钳位的效果了。

基本的有源钳位电路存在着一些缺点:

首先,有源钳位电路工作在IGBT关断的瞬间,在这个时刻里,IGBT驱动器的最后一级推动级的三极管的下管是开着的,而TVS的电流一部分流入门极,另一部分则被这个三极管旁路掉了。

显然,由于这个支路的阻抗很低,因此TVS的电流大部分被这个三极管"吃掉了"。 TVS的电流增大导致其击穿电压持续上升,钳位效果就大打折扣了。

其次,TVS管的功耗非常大,导致必须选取很大个头的TVS,导致物料比较贵,难以购买,误差偏大,结电容过高等缺点。

2改进型(一)

将TVS的电流引至推动级的前级,这相当于给TVS的电流增加了一级增益,如下图:

但是这样仍有缺点:

①最前级的推动电路会旁路掉一部分TVS的电流;

②有源最后一级的推动级的时间延迟,相位滞后,会导致主电路产生振荡。

3改进型(二)

如下图所示:

VD连接两个分支电路:一个支路经阻抗接到驱动电路前级侧,通过驱动电路的增益,来减小TVS电流和功耗; 另一支路经阻抗直接接门极,可做到无延迟地提升门极电压。

这个电路增加了一个内馈回路,使电路的动态性能更好。 TVS的电流很快就能流入门极,电路的响应更快。 图腾柱推动级的加入为TVS提供了电流增益。

4较先进点的

当然,还有有源钳位芯片搭建的有源钳位电路,如下图:

当TVS被击穿时,电流IAAC会流进ASIC(专用集成电路)的AAC单元。 该单元会根据IAAC的大小操纵下管Mosfet。 当该电流大于某一值时,下管Mosfet开始被线性地关断,

当电流大于某一较大值时,下管Mosfet完全关闭。

此时门极处于开路状态,Iz会向门极电容充电,使门极电压从米勒平台回到+15V,从而使关断电流变缓慢,达到电压钳位的效果。 这个电路的特点是TVS的负载非常小,TVS的工作点非常接近额定点,钳位的准度大大提高。

5动态有源钳位

在一些应用中,例如太阳能逆变器,APF,牵引变流器等,母线电压有时可能会处在比较高的水平,会高于有源钳位动作的电压点,此时若不加处理,有源钳位电路会进入连续动作状态,此时ASIC会有很大的风险,很容易损坏,我们必须设法回避这种情况的发生。

我们将有源钳位的动作门槛设置成动态的,如下图:

在IGBT导通时,门槛降低为Vth2,在IGBT关断后,延迟一段时间,然后将有源钳位的动作门槛提高到Vth1。 这样IGBT在导通状态和截止状态时,其有源钳位电路的动作门槛电压是有区别的。 这样并不影响有源钳位电路的本意,因为IGBT在关断瞬间,钳位门槛是Vth2。 如果母线电压升高,IGBT在关断态时,钳位电路的门槛又比较高。

根据不同的应用场合,对于有源钳位的准度和效率需求的不同,我们可以选择合适的钳位方式。 以上便是关于有源钳位的(Active Clamping)的介绍,希望你们能够喜欢。



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