IGBT关断尖峰电压产生原理 IGBT有源钳位电路原理分析

IGBT应用-有源钳位电路

IGBT关断尖峰电压产生原理：

在光伏逆变器等大功率应用场合，主电路(直流电容到IGBT模块间)存在较大杂散电感(几十到数百nH)。IGBT关断时，集电极电流下降率较高，即存在较高的dioff/dt，在杂散电感两端感应出电动势，方向与直流母线电压一致，并与直流母线一起叠加在IGBT两端。从而使IGBT集电极-发射极间产生很大的浪涌电压，甚至会超过IGBT额定集射极电压，使IGBT损坏。传统的无源缓冲吸收电路(RC)在大功率应用场合，吸收IGBT关断尖峰电压时损耗较大，有时会使吸收电路温升过高，造成额外的风险，而且吸收电路占用较大体积 。IGBT关断时若发生短路，尖峰电压更高，会出现保护死区，易造成IGBT损坏。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。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。

IGBT 的关断尖峰电压是由于通过IGBT 的电流在IGBT 的关断时而产生的瞬时高电压。这个过程可以以下左图所示的感性负载半桥电路的关断过程来说明。

假设Q2 截止，Q1 处于开通状态。若主回路为理想电路且不存在寄生电感，当Q1 由导通变截止时，由于感性负载电流不能突变，将通过续流二极管D2 续流，以构成电流回路。此时Q1上的电压将上升，直到它的值达到比母线电压Ed高出一个二极管的压降值才停止增加。但在实际的功率电路中存在寄生电感，如图中的等效寄生电感LS。当Q1 截止时，电感LS 阻止负载电流Io向Q2 的续流二极管D2 切换。在电感LS 两端产生阻止母线电流变化的电压，它与电源电压相叠加以尖峰电压的形式加在Q1 的两端。在极端情况下，该尖峰电压会超过IGBT 的VCES 额定值，并能使IGBT 损害，在实际应用中，寄生电感LS分布于整个功率电路中，但是效果是等同的，上下图 是尖峰电压的波形图。

IGBT有源钳位电路的意义：

IGBT有源钳位的核心是通过检测Vce，延缓IGBT关断，限制di/dt和电压尖峰。

(1)有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，如果关断时产生的电压尖峰太高，或者太陡，都会使IGBT受到威胁。

(2)IGBT在正常情况关断时会产生一定的电压尖峰，但是数值不会太高，但在变流器过载或者桥臂短路时，如果要关断管子，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT非常容易被打坏。如果关断时产生的电压尖峰太高，或者太陡，都会使IGBT受到威胁。

(3)所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作，正常时不工作。

最基本的有源钳位电路：

下图所示为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构成。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。

这个钳位的过程的本质是一个负反馈环路，如下图示。给定是TVS的击穿点，被控对象是集电极电位。