有源钳位抑制IGBT浪涌电压原理现详解

我们都知道，IGBT关断时，集电极电流的下降率较高，在较大功率的情况下，由于主回路存在较大的杂散电感(为什么要尽量降低杂散电感的一个原因)，从而集电极和发射极产生很大的浪涌电压，甚至会超过IGBT的额定集射极电压，所以IGBT集射极过压保护是设计时不容忽略的一个问题，今天我们就来聊一聊最通用的措施——有源钳位。

IGBT浪涌电压的产生原理

如下图：

IGBT关断浪涌电压是由于IGBT关断时主电路电流急剧变化。 在主电路的杂散电感上产生高电压而造成的，上图所示，半桥电路接一相负载。 设开关管VT1关断时，VT1集电极电流ic迅速下降，主电路杂散电感感应出电压为：

uσ=Lσ*dic/dt

dic/dt为集电极电流变化率。 则VT1集射极之间的电压为：

uc=Udc+Lσ*dic/dt

可间，集射极电压uce超过了Udc，出现浪涌电压，如下图所示

特别是当关断IGBT时，若主电路短路,i很大,使其下降率更大，uσ更高，uce很容易超过IGBT额定集射极电压，导致IGBT损坏。

传统的无源缓冲吸收电路在大功率情况下，吸收IGBT关断浪涌电压时损耗较大，而且吸收电路占用较大体积。

目前国内外生产的大功率IGBT驱动器采用检测导通饱和压降的方法进行短路保护及软关断。 IGBT关断时若发生短路，则会出现保护死区，易造成IGBT损坏。 采用瞬态电压抑制器(TVS)有源箝位的方法，能够较好地抑制浪涌电压，而且能解决IGBT关断时发生短路而导致驱动器短路保护失效的问题。 有源箝位电路可以直接在驱动器上设计，节省体积，损耗小，成本低，抑制速度快，可靠性较高。

有源钳位抑制IGBT浪涌电压原理

IGBT是电压控制型开关器件. 开通门极电压阈值典型值是5~7V。 开通和关断门极电压推荐值为±15V。 通过改变门极电压Vg，即可对IGBT的开通和关断过程进行控制。

1最基本的

下图是最基本的有源钳位电路，只需要TVS管和普通快恢复二极管即可实现：

其原理是：

当集电极电位过高时，TVS被击穿，有电流流进门极，门极电位得以抬升，从而使关断电流不要过于陡峭，进而减小尖峰。

当TVS管两端经受高能量冲击时. 它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端电压箝位在一个预定的数值上，从而保护电路元件的安全。 为达到较高箝位值，通常采用多个TVS串联。

这个钳位的过程可以看成是一个简单的负反馈。 如下图：

给定是TVS的击穿点，被控对象是集电极电位。

当有源钳位电路工作时，Vz≈Vce，也就是说，TVS上的电压就是IGBT集电极上的电压，换句话说，能控制住Vz，就能控制住Vce。

下图是TVS管的外特性，其中有2个不同的工作点。 工作点1的击穿电流比较小，工作电压比较低，而工作点2的工作电压则比较高。

在有源钳位应用中，我们则希望TVS管能工作在额定的击穿点附近，而不希望TVS被深深地击穿。 如果TVS被击穿后电流剧烈增大，那么TVS则会从工作点1下探至工作点2，其电压也会强烈上升，这意味着IGBT的CE电压也会上升，这时就达不到IGBT钳位的效果了。

基本的有源钳位电路存在着一些缺点：

首先，有源钳位电路工作在IGBT关断的瞬间，在这个时刻里，IGBT驱动器的最后一级推动级的三极管的下管是开着的，而TVS的电流一部分流入门极，另一部分则被这个三极管旁路掉了。

显然，由于这个支路的阻抗很低，因此TVS的电流大部分被这个三极管"吃掉了"。 TVS的电流增大导致其击穿电压持续上升，钳位效果就大打折扣了。

其次，TVS管的功耗非常大，导致必须选取很大个头的TVS，导致物料比较贵，难以购买，误差偏大，结电容过高等缺点。

2改进型(一)

将TVS的电流引至推动级的前级，这相当于给TVS的电流增加了一级增益，如下图：

但是这样仍有缺点：

①最前级的推动电路会旁路掉一部分TVS的电流;

②有源最后一级的推动级的时间延迟，相位滞后，会导致主电路产生振荡。

3改进型(二)

如下图所示：

VD连接两个分支电路：一个支路经阻抗接到驱动电路前级侧，通过驱动电路的增益，来减小TVS电流和功耗; 另一支路经阻抗直接接门极，可做到无延迟地提升门极电压。

这个电路增加了一个内馈回路，使电路的动态性能更好。 TVS的电流很快就能流入门极，电路的响应更快。 图腾柱推动级的加入为TVS提供了电流增益。

4较先进点的

当然，还有有源钳位芯片搭建的有源钳位电路，如下图：

当TVS被击穿时，电流IAAC会流进ASIC(专用集成电路)的AAC单元。 该单元会根据IAAC的大小操纵下管Mosfet。 当该电流大于某一值时，下管Mosfet开始被线性地关断，

当电流大于某一较大值时，下管Mosfet完全关闭。

此时门极处于开路状态，Iz会向门极电容充电，使门极电压从米勒平台回到+15V，从而使关断电流变缓慢，达到电压钳位的效果。 这个电路的特点是TVS的负载非常小，TVS的工作点非常接近额定点，钳位的准度大大提高。

5动态有源钳位

在一些应用中，例如太阳能逆变器，APF，牵引变流器等，母线电压有时可能会处在比较高的水平，会高于有源钳位动作的电压点，此时若不加处理，有源钳位电路会进入连续动作状态，此时ASIC会有很大的风险，很容易损坏，我们必须设法回避这种情况的发生。

我们将有源钳位的动作门槛设置成动态的，如下图：

在IGBT导通时，门槛降低为Vth2，在IGBT关断后，延迟一段时间，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Vth2。 如果母线电压升高，IGBT在关断态时，钳位电路的门槛又比较高。

根据不同的应用场合，对于有源钳位的准度和效率需求的不同，我们可以选择合适的钳位方式。 以上便是关于有源钳位的(Active Clamping)的介绍，希望你们能够喜欢。