【導(dǎo)讀】在風(fēng)電、光伏、新能源汽車、工業(yè)變頻等大功率應(yīng)用場(chǎng)合，主電路中母線電容到功率器件間存在較大雜散電感 (幾十到幾百nH)。功率器件在關(guān)斷時(shí)，由于雜散電感Ls的存在，通過(guò)Ls*di/dt感應(yīng)產(chǎn)生浪涌電壓，此感應(yīng)高電壓與前端母線電容電壓方向一致，因此功率器件兩端疊加的電壓尖峰會(huì)超過(guò)母線電壓，在過(guò)流或短路發(fā)生時(shí)甚至可能會(huì)超過(guò)功率器件的耐受電壓而導(dǎo)致?lián)p壞。功率器件保護(hù)方式有RC吸收回路、軟開(kāi)關(guān)以及飽和壓降檢測(cè)限流等，其中RC吸收回路具有以犧牲回路效率為代價(jià)，同時(shí)可能帶來(lái)吸收回路溫度過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)。有源鉗位可以直接加在驅(qū)動(dòng)回路里面，通過(guò)延緩驅(qū)動(dòng)關(guān)斷來(lái)吸收浪涌能量，能夠有效減小尖峰電壓起到保護(hù)作用，因此有源鉗位方案具有占用面積小、成本低、響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
半橋電路工作時(shí)序
下圖為典型的直流變換器，輸入三相橋式整流，后端半橋，輸出采用全波整流，其中輸入每相增加保險(xiǎn)絲作為過(guò)流與短路保護(hù)，相地間增加壓敏作為防雷擊保護(hù)，此雷擊通常指感應(yīng)雷。
由于直流母排到IGBT以及IGBT本身存在雜散電感，根據(jù)電感續(xù)流的特性，在IGBT關(guān)斷瞬間會(huì)在CE兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓尖峰，雜散電感用Ls表示，等效電路圖如下。
母線電壓Vs，電容C1與C3分壓，在Q1與Q2 IGBT單個(gè)導(dǎo)通的時(shí)候，另外一個(gè)IGBT的穩(wěn)態(tài)電壓Vce為Vs，當(dāng)Q1與Q2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，Vce電壓為1/2Vs。
對(duì)半橋電路IGBT工作時(shí)序展開(kāi)分析：
1. IGBT Q2關(guān)斷，Q1開(kāi)通，此時(shí)1/2*Vs通過(guò)IGBT Q1對(duì)變壓器原邊充電，原邊電流Ip持續(xù)增加，此時(shí)雜散電感Ls跟著一起充能，IGBT Q2兩端電壓為1/2*Vs。
2. Q2關(guān)斷，Q1由導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)變壓器電流Ip達(dá)到最大值，由于電感電流不能突變的特性，變壓器原邊漏感與電容C3以及IGBT Q2體二極管構(gòu)成放電回路，此時(shí)IGBT Q2輸出電容Coss從1/2*Vs放電到二極管導(dǎo)通壓降Vd。相應(yīng)的電源Vs、IGBT Q1、Q2以及雜散電感Ls構(gòu)成放電回路，因?yàn)镼2兩端電壓逐步下降到二極管壓降Vd，Q1電壓逐漸上升到母線電壓(Vs-Vd)，同時(shí)由于雜散電感Ls的續(xù)流特性，推高Q1兩端電壓超過(guò)母線電壓，在過(guò)流或短路發(fā)生時(shí)甚至有可能造成IGBT損壞。
3. Q2關(guān)斷，Q1關(guān)斷，變壓器原邊漏感放電到歸零，電容C3通過(guò)漏感以及Q2結(jié)電容構(gòu)成充電回路，逐步把Q2電壓推到1/2*Vs，Q1電壓從Vs下降到1/2*Vs達(dá)到平衡狀態(tài)，變壓器原邊電流Ip下降到0。
4. Q2開(kāi)通，Q1關(guān)斷，電容C3、IGBT Q2與變壓器原邊構(gòu)成充電回路，Q2電壓下降到飽和壓降，Q1電壓逐步上升到母線電壓Vs，此時(shí)Q2兩端Vce由于寄生電感電容的存在會(huì)有小電壓尖峰，變壓器原邊電流Ip持續(xù)上升，線路雜散電感分布于整個(gè)線路當(dāng)中，這里等效電感位置移至下方電壓負(fù)端便于分析。
5. Q2由導(dǎo)通切換到關(guān)斷，Q1關(guān)斷，與工作時(shí)序2一樣，初始電流Ip為最大值，原邊漏感與Q1體二極管、電容C1構(gòu)成放電回路，Q1電壓下降到Vd，Q2電壓由于雜散電感的存在電壓上升超過(guò)(Vs-Vd)，尖峰電壓達(dá)到最大。
6. Q2關(guān)斷，Q1關(guān)斷，漏感能量消耗完，母線電壓通過(guò)IGBT Q1與Q2結(jié)電容構(gòu)成分壓回路，Vce電壓達(dá)到1/2*Vs，接下來(lái)就重復(fù)時(shí)序1的步驟。
IGBT有源鉗位電路的意義
IGBT有源鉗位的核心是檢測(cè)Vgc壓降，通過(guò)延緩IGBT關(guān)斷，限制因?yàn)楦遜i/dt引起的電壓尖峰。
（1）有源鉗位電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)是在正常工作條件下盡量不參與動(dòng)作，從而減少關(guān)斷電壓與電流的重疊面積，達(dá)到減少損耗提高效率的目的。由于系統(tǒng)雜散電感的存在，IGBT兩端不可避免會(huì)承受超過(guò)母線的尖刺電壓，正常工況下通過(guò)合理布板與母排設(shè)計(jì)可以減小此寄生電感，同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻的合理選配達(dá)到IGBT兩端電壓在關(guān)斷時(shí)不超過(guò)其耐壓，使其處于安全工作區(qū)。
（2）在母線電壓過(guò)高時(shí)，通過(guò)雜散電感疊加到IGBT兩端的電壓可能會(huì)達(dá)到很高水平，作為電壓敏感型器件，超過(guò)Vce耐壓會(huì)使其損壞。有源鉗位的目的是通過(guò)檢測(cè)集電極電壓限值，通過(guò)TVS導(dǎo)通給驅(qū)動(dòng)回路提供電流，使其延緩關(guān)斷，起到減小電壓尖峰的作用。
（3）有源鉗位電路是把TVS串聯(lián)于IGBT門極與集電極，此TVS通常選擇小功率400~600W即可。另外一種常見(jiàn)的保護(hù)方式是在IGBT CE兩端并聯(lián)吸收回路，此回路不僅功率要求大同時(shí)占板面積大，有源鉗位通過(guò)大功率IGBT本身來(lái)消耗此多余的能量，可以有效減少線路元件數(shù)量與散熱要求。
有源鉗位工作時(shí)序
如下為典型的有源鉗位電路，此電路里面采用2個(gè)TVS串聯(lián)構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以耐受更高回路電壓，同時(shí)可以吸收更大的浪涌能量。其工作原理為：在IGBT集電極電壓過(guò)高時(shí)TVS被擊穿，通過(guò)限流電阻流進(jìn)門極，門極電容被充電，在門極電阻Rg兩端疊加左負(fù)右正電壓，因此Vge電壓得到抬升，從而使IGBT延緩關(guān)斷，di/dt斜率變緩，雜散電感產(chǎn)生的電壓尖峰減小。
下圖為有源鉗位動(dòng)作時(shí)IGBT的電流電壓波形，初始狀態(tài)IGBT處于開(kāi)通狀態(tài)，此時(shí)電路處于充電狀態(tài)，Ice持續(xù)增加，Vce為飽和壓降。
1. t0開(kāi)始驅(qū)動(dòng)關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電壓Vge開(kāi)始下降，IGBT由飽和區(qū)進(jìn)入線性區(qū)，此時(shí)Vce電壓與Ice交叉構(gòu)成損耗積分，Vce電壓從飽和壓降上升，逐步達(dá)到TVS擊穿動(dòng)作值。
2. t1開(kāi)始超過(guò)TVS擊穿電壓，此時(shí)擊穿電流給門極充電，Vge電壓抬升，Vce電壓繼續(xù)提升至峰值，集電極電流Ice以斜率k1速度開(kāi)始下降。
3. t2開(kāi)始由于擊穿電流的疊加，驅(qū)動(dòng)下降得到延緩，此時(shí)集電極電流Ice以斜率K2速度下降，可見(jiàn)此時(shí)k2斜率要小于k1，IGBT Vce電壓從峰值電壓下降到鉗位電壓。
4. t3開(kāi)始回路電流下降為0，此時(shí)Vce電壓下降到母線電壓，TVS恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)，漏電流下降到微安級(jí)別，門極驅(qū)動(dòng)斜率恢復(fù)，驅(qū)動(dòng)電壓下降到開(kāi)啟電壓以下，IGBT徹底關(guān)斷。
從上述時(shí)序展開(kāi)分析可以看出，IGBT關(guān)斷是從飽和導(dǎo)通區(qū)切換到截止區(qū)，在這個(gè)過(guò)程需要跨越線性區(qū)，有源鉗位的本質(zhì)是增加此線性區(qū)時(shí)間來(lái)吸收回路中多余的浪涌能量，此較高的能量通過(guò)IGBT來(lái)吸收可以減少對(duì)外部元件布局與散熱的需求。
IGBT關(guān)斷時(shí)，主回路中雜散電感中所存儲(chǔ)的能量都需要有釋放的路徑，最常見(jiàn)的就是在IGBT CE兩端產(chǎn)生電壓尖峰，在關(guān)斷的過(guò)程中，這些能量都以關(guān)斷損耗的形式耗散在IGBT上。對(duì)于電壓敏感型器件，過(guò)高的尖峰電壓會(huì)損耗IGBT，因此有源鉗位就是將高而窄的電壓脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榘鴮挼拿}沖，這個(gè)過(guò)程中耗散掉的能量仍然是雜散電感所存儲(chǔ)的能量。
對(duì)于半橋或全橋電路來(lái)說(shuō)，很多人可能有一個(gè)誤解，認(rèn)為有源鉗位工作時(shí)會(huì)把IGBT重新打開(kāi)，導(dǎo)致兩個(gè)半橋IGBT直通的現(xiàn)象。從前面的時(shí)序分析可以看出，有源鉗位在動(dòng)作時(shí)IGBT還處于線性區(qū)，只是線性區(qū)有所延緩，另外一個(gè)IGBT并不會(huì)在此時(shí)導(dǎo)通。有源鉗位動(dòng)作的時(shí)間通常不會(huì)超過(guò)300ns，而IGBT上下管之間的死區(qū)時(shí)間通常在3us以上，該時(shí)間差足以保證IGBT不會(huì)出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。
有源鉗位應(yīng)用案例與改進(jìn)型方案
假定變頻器應(yīng)用條件，選定IFX FF600R12ME7 1200V 600A 半橋IGBT模塊，TVS為L(zhǎng)ittelfuse SMBJ300CA 峰值功率Pppm為600W 工作電壓Vr 300V，已知條件如下：
● 回路母線電壓最大為600V。
● 回路雜散電感為100nH，從規(guī)格書(shū)可以看出IGBT漏感為20nH，因此疊加到IGBT上的總雜散電感為120Nh。
● IGBT選定外置驅(qū)動(dòng)電阻Rgoff為0.51?。
● IGBT關(guān)斷di/dt為7800A/us。
● TVS 擊穿電壓Vbr 335~371V @it 1mA。
● TVS鉗位電壓電流為Vc 486V @ Ipp 1.3A。
回路當(dāng)中如果沒(méi)有TVS有源鉗位，此時(shí)IGBT兩端電壓Vce為母線電壓與雜散電感產(chǎn)生電壓Vls疊加。
Vce=Vdc+Ls*di/dt=1536V
可見(jiàn)此電壓超過(guò)1200V的耐壓會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞。
在門級(jí)串聯(lián)2個(gè)SMBJ300CA之后，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)集電極電壓超過(guò)擊穿電壓，TVS即被擊穿，隨著擊穿電壓的提升，其擊穿電流也上升，對(duì)于門極關(guān)斷的延緩效果就越明顯。
IGBT驅(qū)動(dòng)電流通常為幾個(gè)安培，因此這里選定TVS鉗位電流為2A，通過(guò)等效內(nèi)阻計(jì)算，其中擊穿電壓Vbr為335V換算到Vc為567.3V, 當(dāng)Vbr為371V對(duì)應(yīng)的Vc為547.92V，具體鉗位電壓換算方法可以參考TVS選型計(jì)算文檔。兩個(gè)TVS串聯(lián)后的電壓為1124.6V，小于IGBT本身耐壓1200V，因此在延緩IGBT關(guān)斷的同時(shí)可以起到很好的保護(hù)作用。
實(shí)際電路中有可能會(huì)碰到TVS動(dòng)作保護(hù)電壓遠(yuǎn)高于TVS鉗位電壓的情況，但是由于尖峰電壓通常為ns級(jí)，通過(guò)功率脈沖寬度曲線可以看到在1us脈沖下，SMBJ系列脈沖功率可以超過(guò)10kw，因此在有源鉗位保護(hù)電路中可以選擇功率與尺寸小的TVS，SMBJ系列相對(duì)比較常用。
對(duì)于工作電壓與鉗位保護(hù)電壓要求比較接近的應(yīng)用，比如母線電壓還是600V，回路當(dāng)中采用1000V IGBT，顯然TVS在達(dá)到鉗位電壓1124.6V時(shí)會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞，同時(shí)由于TVS工作電壓要高于600V的工作電壓，以免TVS在正常工作情況下?lián)舸?dǎo)致其過(guò)熱損壞。此時(shí)就可以考慮引入改進(jìn)型有源鉗位電路。
這個(gè)電路的特點(diǎn)是，將TVS的電流通過(guò)電阻R1引至驅(qū)動(dòng)IC推動(dòng)級(jí)的前級(jí)，相當(dāng)于給TVS的電流增加了一級(jí)增益。這可以減少流過(guò)TVS的電流，通過(guò)縮窄TVS工作電壓Vr與保護(hù)電壓Vc1的幅值，提高這個(gè)電路對(duì)于尖峰電壓的保護(hù)效果。我們也知道驅(qū)動(dòng)電路推挽電路具有輸入與輸出的時(shí)間延遲與相位滯后，對(duì)于浪涌能量較大的情況可能會(huì)導(dǎo)致IGBT電壓上升過(guò)快而損壞，此時(shí)保留電阻R2，當(dāng)IGBT兩端電壓遠(yuǎn)超擊穿電壓時(shí)，可以在前級(jí)動(dòng)作前起到延緩IGBT關(guān)斷的作用。該改進(jìn)型的兩級(jí)保護(hù)可以起到更好的保護(hù)效果，同時(shí)也要時(shí)刻關(guān)注正常工作電壓下TVS的漏電流對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的影響，對(duì)于TVS的電壓選型更為嚴(yán)苛。
來(lái)源：Littelfuse
作者：Rambo Liu
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