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IGBT应用技术之有源钳位详解(6)


单一门槛的有源钳位电路所存在的问题:
本文前面所讨论的有源钳位电路,其击穿门槛都只有一个点,在一些应用中,这会带来严重的问题,例如:
1. HVDC应用中,系统失效时,功率单元母线电压被整流且抬升;
2. 牵引应用中,受电弓与电网脱落,且机车制动,母线电压被抬升;
3. 太阳能应用中,电池板开路电压较高,母线电压偏高;
4. SVG应用中,电网系统故障,功率单元母线电压被整流且抬升;
5. 风电Crowbar中,IGBT静态电压偏高;
6. 电动汽车应用中,电池端直流接触器断开,且汽车制动,母线电压会被抬高;
7. APF应用中,母线电压选取过高;
8. …..
在以上所列的具体应用中,一旦母线电压超过有源钳位的门槛,IGBT就会进入线性区,IGBT上的损耗很大,短时间内就会失效。但是我们不能因为有源钳位有这个问题就放弃有源钳位功能。因此我们需要对这个功能进行改进----动态有源钳位。
动态有源钳位
如果把有源钳位的动作门槛设计成两个值,且门槛会随着IGBT的工作状态的变化而变化,这样既能保留有源钳位功能----防护IGBT,又能回避在某些具体应用中带来的问题。
CONCEPT提出了一种新的有源钳位电路---动态有源钳位,可以顺利地解决这个问题。
动态有源钳位电路实现的目标:
1. 在IGBT关断过程中,用合理的门槛值对集电极电位进行钳位,使IGBT的电压尖峰不至于太高而损坏;
2. 在IGBT持续保持关断时,将有源钳位的门槛调高,这样即使母线电压偏高,也不至于碰到第二个更高的门槛点,这样就不会出现前一页所说的问题。
动态有源钳位电路
动态有源钳位电路的介绍(Dynamic Advanced Active clamping):
我们将有源钳位的动作门槛设置成动态的,Vth1是高门槛,Vth2是低门槛。在IGBT开通时刻,同步地将门槛降低为Vth2,在IGBT关断后,延迟一段时间(约15~20us),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,钳位门槛是在Vth2。用低门槛对IGBT的关断行为进行防护。
如果母线电压因为某种原因而升高,IGBT在关断态时,钳位电路的门槛处在高位,不会发生有源钳位电路动作。
这种方案能较好的解决某些应用中很现实的问题,是一种非常有竞争力的解决方案。
动态有源钳位电路时序
动态有源钳位电路的实现方法及其难点:
动态有源钳位的实现方法
动态有源钳位的实现方法如上图示,部分的TVS上并联了一个小的IGBT,当该IGBT导通时,TVS的门槛就降低了,当IGBT截止时,TVS的门槛就上升了。
这个电路的难点:在于这个电位浮起的IGBT很难被驱动,需要给它的发射极合适的参考电位。
软关断电路与有源钳位电路的比较(1):
软关断电路的原理是:在IGBT关断的过程中,用一个较大的电阻对门极的电荷进行释放,从而实现门极电压出现缓慢下降,这样IGBT的电流会缓慢下降,di/dt会比较小,产生的电压尖峰也会比较小。
所以,软关断电路的目的是:减小关断过程的电压尖峰。
软关断电路触发的条件:
软关断电路可以在每个关断脉冲都工作吗? 答案是不行。因为那样损耗极高。软关断电路的触发条件是IGBT短路故障,也就是说,通常这个功能是用于关断短路电流的时刻。而且这个动作发生后,驱动器一定会报保护信号,机器随后就会停机了。
软关断电路只适用于短路保护时刻!
软关断电路与有源钳位电路的比较(2):
Ø软关断电路是一个开环电路,它被触发的条件是驱动器检测到短路保护,它只能在这个时候有效。
Ø有源钳位电路是一个闭环电路,它被触发的条件是集电极电位到达TVS击穿门槛,它在任何时候都有效。
ØIGBT在关断1倍额定电流或者2倍额定电流时,产生的电压尖峰已经很高,但此时关断IGBT,并不会触发软关断功能,不过IGBT可能会面临高电压尖峰的风险;
Ø对于有源钳位功能,无论IGBT关断多大的电流,无论是否短路保护或者霍尔器件发出的过流保护指令,只要电压尖峰到达TVS击穿门槛,电路就会工作,对IGBT进行防护;
总结:
软关断功能所覆盖的场合很单一,在更多的场合下,它不能有效动作;有源钳位功能由于是闭环系统,在所有的场合下都能有效工作进行IGBT防护。

 
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