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IGBT應(yīng)用技術(shù)之有源鉗位詳解

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,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)^IGBT額定集射極電壓,使IGBT損壞。傳統(tǒng)的無源緩沖吸收電路(RC)在大功率應(yīng)用場合,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。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器采用檢測導(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。文章來源:http://m.itmustbedons.com/qd/25.html
IGBT 的關(guān)斷尖峰電壓是由于通過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)過程可以以下左圖所示的感性負(fù)載半橋電路的關(guān)斷過程來說明。
IGBT感性負(fù)載半橋電路拓?fù)? src=IGBT尖峰電壓波形
假設(shè)Q2 截止,Q1 處于開通狀態(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檢測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)集電極電位過高時(shí),TVS被擊穿,有電流流進(jìn)門極,門極電位得以抬升,從而使關(guān)斷電流不要過于陡峭,進(jìn)而減小尖峰。
基本有源鉗位電路及波形

 這個(gè)鉗位的過程的本質(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),被控對象是集電極電位。
有源鉗位反饋等效電路
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