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IGBT应用技术之有源钳位详解

IGBT关断尖峰电压产生原理:
在光伏逆变器等大功率应用场合,主电路(直流电容到IGBT模块间)存在较大杂散电感(几十到数百nH)。IGBT关断时,集电极电流下降率较高,即存在较高的dioff/dt,在杂散电感两端感应出电动势,方向与直流母线电压一致,并与直流母线一起叠加在IGBT两端。从而使IGBT集电极-发射极间产生很大的浪涌电压,甚至会超过IGBT额定集射极电压,使IGBT损坏。传统的无源缓冲吸收电路(RC)在大功率应用场合,吸收IGBT关断尖峰电压时损耗较大,有时会使吸收电路温升过高,造成额外的风险,而且吸收电路占用较大体积 。IGBT关断时若发生短路,尖峰电压更高,会出现保护死区,易造成IGBT损坏。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。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。文章来源:http://www.igbt8.com/qd/25.html
IGBT 的关断尖峰电压是由于通过IGBT 的电流在IGBT 的关断时而产生的瞬时高电压。这个过程可以以下左图所示的感性负载半桥电路的关断过程来说明。
IGBT感性负载半桥电路拓扑IGBT尖峰电压波形
假设Q2 截止,Q1 处于开通状态。若主回路为理想电路且不存在寄生电感,当Q1 由导通变截止时,由于感性负载电流不能突变,将通过续流二极管D2 续流,以构成电流回路。此时Q1上的电压将上升,直到它的值达到比母线电压Ed高出一个二极管的压降值才停止增加。但在实际的功率电路中存在寄生电感,如图中的等效寄生电感LS。当Q1 截止时,电感LS 阻止负载电流Io向Q2 的续流二极管D2 切换。在电感LS 两端产生阻止母线电流变化的电压,它与电源电压相叠加以尖峰电压的形式加在Q1 的两端。在极端情况下,该尖峰电压会超过IGBT 的VCES 额定值,并能使IGBT 损害,在实际应用中,寄生电感LS分布于整个功率电路中,但是效果是等同的,上下图 是尖峰电压的波形图。
IGBT有源钳位电路的意义:
IGBT有源钳位的核心是通过检测Vce,延缓IGBT关断,限制di/dt和电压尖峰。
(1)有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位,使其不要到达太高的水平,如果关断时产生的电压尖峰太高,或者太陡,都会使IGBT受到威胁。
(2)IGBT在正常情况关断时会产生一定的电压尖峰,但是数值不会太高,但在变流器过载或者桥臂短路时,如果要关断管子,产生的电压尖峰则非常高,此时IGBT非常容易被打坏。如果关断时产生的电压尖峰太高,或者太陡,都会使IGBT受到威胁。
(3)所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作,正常时不工作。
最基本的有源钳位电路:
下图所示为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构成。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。
基本有源钳位电路及波形

 这个钳位的过程的本质是一个负反馈环路,如下图示。给定是TVS的击穿点,被控对象是集电极电位。
有源钳位反馈等效电路
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