IGBT應用-有源鉗位電路

IGBT關斷尖峰電壓產生原理：

在光伏逆變器等大功率應用場合，主電路(直流電容到IGBT模塊間)存在較大雜散電感(幾十到數百nH)。IGBT關斷時，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出電動勢，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-發射極間產生很大的浪涌電壓，甚至會超過IGBT額定集射極電壓，使IGBT損壞。傳統的無源緩沖吸收電路(RC)在大功率應用場合，吸收IGBT關斷尖峰電壓時損耗較大，有時會使吸收電路溫升過高，造成額外的風險，而且吸收電路占用較大體積 。IGBT關斷時若發生短路，尖峰電壓更高，會出現保護死區，易造成IGBT損壞。目前國內外生產的大功率IGBT驅動器采用檢測導通飽和壓降的方法進行短路保護及軟關斷。采用瞬態電壓抑制器(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關斷時發生短路而導致驅動器短路保護失效的問題。有源箝位電路可以直接在驅動器上設計，節省體積，損耗小，成本低，抑制速度快，可靠性較高。

IGBT 的關斷尖峰電壓是由于通過IGBT 的電流在IGBT 的關斷時而產生的瞬時高電壓。這個過程可以以下左圖所示的感性負載半橋電路的關斷過程來說明。

假設Q2 截止，Q1 處于開通狀態。若主回路為理想電路且不存在寄生電感，當Q1 由導通變截止時，由于感性負載電流不能突變，將通過續流二極管D2 續流，以構成電流回路。此時Q1上的電壓將上升，直到它的值達到比母線電壓Ed高出一個二極管的壓降值才停止增加。但在實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Q1 截止時，電感LS 阻止負載電流Io向Q2 的續流二極管D2 切換。在電感LS 兩端產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，該尖峰電壓會超過IGBT 的VCES 額定值，并能使IGBT 損害，在實際應用中，寄生電感LS分布于整個功率電路中，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關斷，限制di/dt和電壓尖峰。

(1)有源鉗位電路的目標是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達太高的水平，如果關斷時產生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會使IGBT受到威脅。

(2)IGBT在正常情況關斷時會產生一定的電壓尖峰，但是數值不會太高，但在變流器過載或者橋臂短路時，如果要關斷管子，產生的電壓尖峰則非常高，此時IGBT非常容易被打壞。如果關斷時產生的電壓尖峰太高，或者太陡，都會使IGBT受到威脅。

(3)所以有源鉗位電路通常在故障狀態下才會動作，正常時不工作。

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管和普通快恢復二極管即可構成。其原理是：當集電極電位過高時，TVS被擊穿，有電流流進門極，門極電位得以抬升，從而使關斷電流不要過于陡峭，進而減小尖峰。

這個鉗位的過程的本質是一個負反饋環路，如下圖示。給定是TVS的擊穿點，被控對象是集電極電位。