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有源鉗位技術(shù)解析

發(fā)布時(shí)間:2023-01-13 來源:Littelfuse 責(zé)任編輯:wenwei

【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超過母線電壓,在過流或短路發(fā)生時(shí)甚至可能會超過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、軟開關(guān)以及飽和壓降檢測限流等,其中RC吸收回路具有以犧牲回路效率為代價(jià),同時(shí)可能帶來吸收回路溫度過高的風(fēng)險(xiǎn)。有源鉗位可以直接加在驅(qū)動(dòng)回路里面,通過延緩驅(qū)動(dòng)關(guān)斷來吸收浪涌能量,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。


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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。


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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。


對半橋電路IGBT工作時(shí)序展開分析:


1. IGBT Q2關(guān)斷,Q1開通,此時(shí)1/2*Vs通過IGBT Q1對變壓器原邊充電,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。


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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Q1兩端電壓超過母線電壓,在過流或短路發(fā)生時(shí)甚至有可能造成IGBT損壞。


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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。


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4. Q2開通,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。


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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(Vs-Vd),尖峰電壓達(dá)到最大。


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6. Q2關(guān)斷,Q1關(guān)斷,漏感能量消耗完,母線電壓通過IGBT Q1與Q2結(jié)電容構(gòu)成分壓回路,Vce電壓達(dá)到1/2*Vs,接下來就重復(fù)時(shí)序1的步驟。


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IGBT有源鉗位電路的意義


IGBT有源鉗位的核心是檢測Vgc壓降,通過延緩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兩端不可避免會承受超過母線的尖刺電壓,正常工況下通過合理布板與母排設(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)不超過其耐壓,使其處于安全工作區(qū)。


(2)在母線電壓過高時(shí),通過雜散電感疊加到IGBT兩端的電壓可能會達(dá)到很高水平,作為電壓敏感型器件,超過Vce耐壓會使其損壞。有源鉗位的目的是通過檢測集電極電壓限值,通過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,有源鉗位通過大功率IGBT本身來消耗此多余的能量,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集電極電壓過高時(shí)TVS被擊穿,通過限流電阻流進(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。


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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。


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1. t0開始驅(qū)動(dòng)關(guān)斷,驅(qū)動(dòng)電壓Vge開始下降,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開始超過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速度開始下降。


3. t2開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別,門極驅(qū)動(dòng)斜率恢復(fù),驅(qū)動(dòng)電壓下降到開啟電壓以下,IGBT徹底關(guān)斷。


從上述時(shí)序展開分析可以看出,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)間來吸收回路中多余的浪涌能量,此較高的能量通過IGBT來吸收可以減少對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的能量都需要有釋放的路徑,最常見的就是在IGBT CE兩端產(chǎn)生電壓尖峰,在關(guān)斷的過程中,這些能量都以關(guān)斷損耗的形式耗散在IGBT上。對于電壓敏感型器件,過高的尖峰電壓會損耗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)過程中耗散掉的能量仍然是雜散電感所存儲的能量。


對于半橋或全橋電路來說,很多人可能有一個(gè)誤解,認(rèn)為有源鉗位工作時(shí)會把IGBT重新打開,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并不會在此時(shí)導(dǎo)通。有源鉗位動(dòng)作的時(shí)間通常不會超過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Littelfuse 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。


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回路當(dāng)中如果沒有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


可見此電壓超過1200V的耐壓會導(dǎo)致IGBT損壞。


在門級串聯(lián)2個(gè)SMBJ300CA之后,當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)集電極電壓超過擊穿電壓,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,通過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系列相對比較常用。


對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)致其過熱損壞。此時(shí)就可以考慮引入改進(jìn)型有源鉗位電路。


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這個(gè)電路的特點(diǎn)是,將TVS的電流通過電阻R1引至驅(qū)動(dòng)IC推動(dòng)級的前級,相當(dāng)于給TVS的電流增加了一級增益。這可以減少流過TVS的電流,通過縮窄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,對于浪涌能量較大的情況可能會導(dǎo)致IGBT電壓上升過快而損壞,此時(shí)保留電阻R2,當(dāng)IGBT兩端電壓遠(yuǎn)超擊穿電壓時(shí),可以在前級動(dòng)作前起到延緩IGBT關(guān)斷的作用。該改進(jìn)型的兩級保護(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的漏電流對于驅(qū)動(dòng)電路的影響,對于TVS的電壓選型更為嚴(yán)苛。


來源:Littelfuse

作者:Rambo Liu



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