IGBT應(yīng)用-有源鉗位電路

IGBT關(guān)斷尖峰電壓產(chǎn)生原理：

在光伏逆變器等大功率應(yīng)用場(chǎng)合，主電路(直流電容到IGBT模塊間)存在較大雜散電感(幾十到數(shù)百nH)。IGBT關(guān)斷時(shí)，集電極電流下降率較高，即存在較高的dioff/dt，在雜散電感兩端感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，方向與直流母線電壓一致，并與直流母線一起疊加在IGBT兩端。從而使IGBT集電極-發(fā)射極間產(chǎn)生很大的浪涌電壓，甚至?xí)^(guò)IGBT額定集射極電壓，使IGBT損壞。傳統(tǒng)的無(wú)源緩沖吸收電路(RC)在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，吸收IGBT關(guān)斷尖峰電壓時(shí)損耗較大，有時(shí)會(huì)使吸收電路溫升過(guò)高，造成額外的風(fēng)險(xiǎn)，而且吸收電路占用較大體積 。IGBT關(guān)斷時(shí)若發(fā)生短路，尖峰電壓更高，會(huì)出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)，易造成IGBT損壞。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器采用檢測(cè)導(dǎo)通飽和壓降的方法進(jìn)行短路保護(hù)及軟關(guān)斷。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(shí)發(fā)生短路而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器短路保護(hù)失效的問(wèn)題。有源箝位電路可以直接在驅(qū)動(dòng)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。

IGBT 的關(guān)斷尖峰電壓是由于通過(guò)IGBT 的電流在IGBT 的關(guān)斷時(shí)而產(chǎn)生的瞬時(shí)高電壓。這個(gè)過(guò)程可以以下左圖所示的感性負(fù)載半橋電路的關(guān)斷過(guò)程來(lái)說(shuō)明。

假設(shè)Q2 截止，Q1 處于開(kāi)通狀態(tài)。若主回路為理想電路且不存在寄生電感，當(dāng)Q1 由導(dǎo)通變截止時(shí)，由于感性負(fù)載電流不能突變，將通過(guò)續(xù)流二極管D2 續(xù)流，以構(gòu)成電流回路。此時(shí)Q1上的電壓將上升，直到它的值達(dá)到比母線電壓Ed高出一個(gè)二極管的壓降值才停止增加。但在實(shí)際的功率電路中存在寄生電感，如圖中的等效寄生電感LS。當(dāng)Q1 截止時(shí)，電感LS 阻止負(fù)載電流Io向Q2 的續(xù)流二極管D2 切換。在電感LS 兩端產(chǎn)生阻止母線電流變化的電壓，它與電源電壓相疊加以尖峰電壓的形式加在Q1 的兩端。在極端情況下，該尖峰電壓會(huì)超過(guò)IGBT 的VCES 額定值，并能使IGBT 損害，在實(shí)際應(yīng)用中，寄生電感LS分布于整個(gè)功率電路中，但是效果是等同的，上下圖 是尖峰電壓的波形圖。

IGBT有源鉗位電路的意義：

IGBT有源鉗位的核心是通過(guò)檢測(cè)Vce，延緩IGBT關(guān)斷，限制di/dt和電壓尖峰。

(1)有源鉗位電路的目標(biāo)是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達(dá)太高的水平，如果關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會(huì)使IGBT受到威脅。

(2)IGBT在正常情況關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰，但是數(shù)值不會(huì)太高，但在變流器過(guò)載或者橋臂短路時(shí)，如果要關(guān)斷管子，產(chǎn)生的電壓尖峰則非常高，此時(shí)IGBT非常容易被打壞。如果關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會(huì)使IGBT受到威脅。

(3)所以有源鉗位電路通常在故障狀態(tài)下才會(huì)動(dòng)作，正常時(shí)不工作。

最基本的有源鉗位電路：

下圖所示為最基本的有源鉗位電路，只需要TVS管和普通快恢復(fù)二極管即可構(gòu)成。其原理是：當(dāng)集電極電位過(guò)高時(shí)，TVS被擊穿，有電流流進(jìn)門(mén)極，門(mén)極電位得以抬升，從而使關(guān)斷電流不要過(guò)于陡峭，進(jìn)而減小尖峰。

這個(gè)鉗位的過(guò)程的本質(zhì)是一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，如下圖示。給定是TVS的擊穿點(diǎn)，被控對(duì)象是集電極電位。