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IGBT應用技術之有源鉗位詳解

IGBT關斷尖峰電壓產生原理:
在光伏逆變器等大功率應用場合北京赛车-首页_Welcome,主電路(直流電容到IGBT模塊間)存在較大雜散電感(幾十到數百nH)北京赛车-首页_Welcome。IGBT關斷時,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出電動勢,方向與直流母線電壓一致,并與直流母線一起疊加在IGBT兩端北京赛车-首页_Welcome。從而使IGBT集電極-發射極間產生很大的浪涌電壓北京赛车-首页_Welcome,甚至會超過IGBT額定集射極電壓,使IGBT損壞。傳統的無源緩沖吸收電路(RC)在大功率應用場合,吸收IGBT關斷尖峰電壓時損耗較大,有時會使吸收電路溫升過高北京赛车-首页_Welcome,造成額外的風險,而且吸收電路占用較大體積 北京赛车-首页_Welcome北京赛车-首页_Welcome。IGBT關斷時若發生短路北京赛车-首页_Welcome,尖峰電壓更高北京赛车-首页_Welcome,會出現保護死區北京赛车-首页_Welcome,易造成IGBT損壞。目前國內外生產的大功率IGBT驅動器采用檢測導通飽和壓降的方法進行短路保護及軟關斷。采用瞬態電壓抑制器(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關斷時發生短路而導致驅動器短路保護失效的問題。有源箝位電路可以直接在驅動器上設計,節省體積,損耗小,成本低,抑制速度快北京赛车-首页_Welcome,可靠性較高。文章來源:http://www.anonymousjuice.com/qd/25.html
IGBT 的關斷尖峰電壓是由于通過IGBT 的電流在IGBT 的關斷時而產生的瞬時高電壓。這個過程可以以下左圖所示的感性負載半橋電路的關斷過程來說明。
IGBT感性負載半橋電路拓撲IGBT尖峰電壓波形
假設Q2 截止北京赛车-首页_Welcome,Q1 處于開通狀態。若主回路為理想電路且不存在寄生電感,當Q1 由導通變截止時,由于感性負載電流不能突變,將通過續流二極管D2 續流北京赛车-首页_Welcome,以構成電流回路。此時Q1上的電壓將上升,直到它的值達到比母線電壓Ed高出一個二極管的壓降值才停止增加。但在實際的功率電路中存在寄生電感北京赛车-首页_Welcome,如圖中的等效寄生電感LS。當Q1 截止時北京赛车-首页_Welcome,電感LS 阻止負載電流Io向Q2 的續流二極管D2 切換北京赛车-首页_Welcome。在電感LS 兩端產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 的兩端北京赛车-首页_Welcome。在極端情況下,該尖峰電壓會超過IGBT 的VCES 額定值,并能使IGBT 損害,在實際應用中,寄生電感LS分布于整個功率電路中北京赛车-首页_Welcome,但是效果是等同的北京赛车-首页_Welcome,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檢測Vce北京赛车-首页_Welcome,延緩IGBT關斷,限制di/dt和電壓尖峰。
(1)有源鉗位電路的目標是鉗住IGBT的集電極電位,使其不要到達太高的水平,如果關斷時產生的電壓尖峰太高北京赛车-首页_Welcome,或者太陡,都會使IGBT受到威脅。
(2)IGBT在正常情況關斷時會產生一定的電壓尖峰,但是數值不會太高北京赛车-首页_Welcome,但在變流器過載或者橋臂短路時北京赛车-首页_Welcome,如果要關斷管子,產生的電壓尖峰則非常高北京赛车-首页_Welcome,此時IGBT非常容易被打壞。如果關斷時產生的電壓尖峰太高,或者太陡,都會使IGBT受到威脅。
(3)所以有源鉗位電路通常在故障狀態下才會動作,正常時不工作。
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北京赛车-首页_Welcome,只需要TVS管和普通快恢復二極管即可構成。其原理是:當集電極電位過高時北京赛车-首页_Welcome,TVS被擊穿,有電流流進門極,門極電位得以抬升北京赛车-首页_Welcome,從而使關斷電流不要過于陡峭,進而減小尖峰。
基本有源鉗位電路及波形

 這個鉗位的過程的本質是一個負反饋環路北京赛车-首页_Welcome,如下圖示。給定是TVS的擊穿點,被控對象是集電極電位。
有源鉗位反饋等效電路
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