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IGBT应用技术之有源钳位详解(5)


有源钳位电路的本质的阐述:
IGBT在工作时,其工作点会在“饱和导通区”及“截止区”之间切换,其实这个过程中,IGBT是要穿越线性区的,在线性区中,IGBT的损耗是比较高的。
关断电压尖峰的本质:
IGBT关断时,主回路的杂散电感中所存储的能量都需要有释放的途径,最常见的途径就是产生电压尖峰,在关断的过程中,这些能量都以关断损耗的形式耗散在IGBT上。
然而电压尖峰太高会损坏IGBT,因此,有源钳位就是将能量由高而窄的脉冲,转变成矮而宽的脉冲,这个过程中耗散掉的能量仍然是杂散电感所存储的能量。
有源钳位电路的本质:
驱动器使IGBT的关断过程延长,目的是将杂散电感的能量耗散在IGBT上,或者说IGBT在线性区里多待一会
有源钳位电路可以每脉冲动作吗?
在实际应用中,有可能会遇到杂散电感比较大的情形,或者是IGBT的关断时的di/dt很大的情形。例如在使用1200V1700V,额定电流超过2000AIGBT,其关断di/dt通常都非常可观,即便母排的杂散电感为正常水平,产生的电压尖峰也会很高。
在这种应用下,有可能每次关断都会触发有源钳位电路。但是,这是必要的,否则IGBT就会损坏。
在有源钳位电路每脉冲动作的情况下,压力会落在TVS上,因为每脉冲都会击穿TVS,在TVS上产生损耗,因此TVS的温升是关键物理量。输出电流越大,频率越高,TVS压力越大,前提是有源钳位每脉冲动作。所以,有源钳位每脉冲动作也是可以接受的,只要TVS的温升可以接受。不过,实际上这种情况非常少见,需要讨论的时候很少。
有源钳位动作时会导致桥臂直通吗?
很多人会有一个误解,认为有源钳位动作时就是IGBT重新打开,然后会导致直通,其实这句话的表达有问题。从前面的有源钳位的实际动作中可以看出来,有源钳位动作时,实际上IGBT的电流并没有下降到零。所以IGBT并没有关断,重新打开的说法是不恰当的。应该改成:有源钳位把IGBT的关断电流的斜率变小了
从时间的角度来说,有源钳位发生的全过程通常不会超过300ns,发生的时刻是IGBT电流下降的时刻。而死区时间通常为3us以上,也就是,有源钳位发生完后3us,另外一个IGBT才会开通,所以这两个事件实际上有很大的时间差,是不会因为有源钳位动作而导致直通发生的。
在有源钳位电路中,TVS是最关键的元件。下面以ST公司的SMBJ130A为例进行解读。该器件漏电流为1uA时,电压为130V;其击穿点是电流为1mA时,此时电压为144V~152V
当6片SMBJ130A串联在一起,则其击穿门槛的最低值为144V×6=864V,典型值为152×6=912V。可以看出,由于TVS目前的技术水平所限,其击穿点的电压是比较宽的,是一个范围。
TVS的温度特性是正温度特性的,ST公司的SMBJ130A的温度系数大约为+1‰;其他品牌的温度系数都能在datasheet中查到。在-40度时,TVS的击穿点比25度时大约下降6~8%.
TVS的温度特性
因为有源钳位的动作点实际上是一个范围,在CONCEPT产品(即插即用)的datasheet中,通常会给出对母线电压最大值的约束,而不会直接给出有源钳位点的数值。
如下图(1SP0635-33)
1SP0635-33母线电压约束值
下图为2SP0320-12:
2SP0320-12母线电压约束值
需要注意,以上截图中讨论的母线电压都是稳态值,不是指的电压尖峰。
通常有源钳位的击穿点的中心值大约为:
1200V IGBT:~900V
1700V IGBT:~1320V
3300V IGBT:~2400V
4500V IGBT:~3300V
有源钳位电路的必要性的评估:
通常在大功率的IGBT的应用中,有源钳位的功能是非常必要的,而功率越小,必要性越低。其原因是随着系统的功率变大,IGBT的di/dt会增大,且杂散电感也会越大,因此电压尖峰会越高。
下表说明不同IGBT在关断额定电流时的di/dt的水平:
不同IGBT在关断额定电流时的di/dt的水平
IGBT短路时,关断短路电流的di/dt会更高,比关断额定电流要高很多,因此短路时电压尖峰更高。所以有可能出现,驱动器发现了IGBT的短路现象,并且也及时关断,但是由于di/dt太高,产生了非常高的电压尖峰,在关断该短路电流后仍然可以打坏了IGBT。这时,有源钳位电路就非常必要。
假设母排杂散电感为100nH,则在7000A/us的电流变化率下,电压尖峰将高达700V
有源钳位电路对母线电压的约束:
在使用有源钳位电路时,母线电压有非常严格的规定,母线电压的数值一定要低于有源钳位电路的门槛值。这里所指的母线电压不是指的电压尖峰,而是母线电容上的电压,这个电压是一个大惯性物理量。
下面举一个反例,以说明其后果。
下图中母线为1000V,有源钳位的击穿门槛为850V;当上管二极管续流,电流朝内;或者上管IGBT开通,电流朝外;以上两种情况,下管处于关断态。
此时下管的有源钳位电路会被击穿,TVS的电流会流向门极,门极电位被抬升,导致下管IGBT被打开。此IGBT会工作在线性区,产生很大的损耗,直到最后炸机。
可见,这是非常危险的一种情况,必须避免。
有源钳位电路对母线电压的约束
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