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IGBT過壓保護措施的兩種方法分享-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2022-04-19 

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IGBT過壓保護措施的兩種方法分享-KIA MOS管


通常情況下,我們可以通過優化母排雜散電感或增加吸收電路減小IGBT的關斷電壓尖峰。然而這兩種方法都是減小電壓尖峰的措施而不是保護方法,面向的也是IGBT正常工況。


當IGBT發生過流或短路時,產生的關斷電壓尖峰會比正常情況高很多,這時一定要采取保護措施,不然器件很有可能會因為過電壓而損壞。目前IGBT的關斷電壓尖峰保護措施主要有軟關斷和有源鉗位兩種方法。今天我們就來聊一下這兩種方法的利與弊。


首先看一下有源鉗位技術:

有源鉗位電路通過在IGBT的集電極和柵極之間串聯一定數量的瞬態電壓抑制二極管(TVS),當電壓超過TVS的鉗位電壓時,會向門極注入一定的電流。如果這個時候IGBT正在關斷,那注入的電流會使IGBT關斷速度變緩,di/dt會減小,從而集電極電壓也會減小,最基本的有源鉗位電路如圖1所示。


IGBT過壓保護 軟關斷 有源鉗位

圖1 基本有源鉗位電路


幾個關鍵點強調一下:

①:有源鉗位是一個閉環系統,只要超過了有源鉗位TVS的動作點,電路就會工作。所以無論是正常工況,還是過流、短路情況,只要IGBT關斷電壓尖峰超過了TVS鉗位電壓值,有源鉗位電路就會工作,這是有源鉗位電路的一個優勢。


②:對于圖1所示的基本有源鉗位電路,當有源鉗位電路動作時,流過TVS的電流是很大的(大部分電流都會通過Rg經過推挽電路的下管流向了-15V),所以如果TVS頻繁動作,TVS的損耗會很大,有可能IGBT沒有問題,TVS就掛掉了。當然,Concept對基本有源鉗位技術進行了改進,如圖2所示,讓大部分TVS的電流都流向門極。


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圖2 Concept高級有源鉗位電路


但是對于我們自己設計的驅動電路,很難做到這一點,所以在應用時盡量還是不讓TVS動作,或者每個輸出電流周期只動作幾次。


③:有源鉗位的另外一個問題:降低了IGBT的靜態阻斷電壓。例如1700V IGBT有源鉗位動作點一般設在1350V左右;1200V的IGBT有源鉗位動作點在900V左右。當IGBT處于關斷狀態時,如果母線電壓上升到有源鉗位動作點時,TVS就會被擊穿,IGBT就會被打開,后面的事情就不敢想象了。針對該問題Concept也給出了解決方案,如圖3所示。


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圖3. 動態有源鉗位電路


這種方案目前也主要針對3.3kV以上的IGBT,對于1.7kV及以下IGBT,如果采用這種方案,成本就有點高了。


讓我們再來看看軟關斷技術:

IGBT軟關斷是相對于硬關斷來定義的,硬關斷指的就是IGBT的常規的關斷過程,由于電阻小,關斷速度快,因此損耗也比較小,但是會承受一定的電壓尖峰應力。而軟關斷就是采用一個相對較大的電阻緩慢地給柵射之間的電容Cge放電,從而降低IGBT的關斷速度,避免產生過電壓。


由于軟關斷產生的關斷損耗非常大,因此只有短路的時候才會觸發軟關斷,而正常情況下還是會采用硬開關。圖4為Avago公司的驅動光耦ACPL-339J推薦電路,推薦的軟關斷電阻為330Ω。


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圖4. ACPL-339J推薦電路


有些小伙伴會問,軟關斷只有在IGBT短路的時才會觸發。那IGBT發生過流時會怎樣呢?那只有硬抗了。需要強調的是:不單單要測試過流保護起不起作用,更重要的還要關注IGBT過流關斷時的電壓尖峰有沒有超額定值。


圖5展示了IGBT發生過流或短路時的關斷策略。硬件過流檢測實時性高,因此只要保證硬件過流時關斷IGBT,尖峰不會超額定值,那就沒問題。如果你的系統沒有硬件過流保護,只有軟件過流保護,那就好要好好評估器件的過壓情況了。例如:軟件的響應時間,濾波時間,從檢測過流到封波時間,這個時候電流會升高到什么程度等等。


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的小伙伴可能會問,這篇文章主要針對的是IGBT的關斷電壓尖峰,那母線過電壓怎么辦呢?直流母線由于電容的存在,是一個很大的慣性環節,波動不會太嚴重。


如果由于能量回饋或其它原因(例如,三電平中點電位不平衡),導致的母線過電壓,驅動是沒有辦法保護的(圖3所示電路也只能在一定程度上提高TVS動作的閾值)。這種情況,控制板一般也會有硬件或軟件過壓保護。


總結:

1. 如果IGBT驅動電路集成了有源鉗位,那軟關斷意義就不大了,可以省去;


2. 如果IGBT驅動只有軟關斷電路,那控制板最好有硬件過流保護,并且保證IGBT發生過流時的關斷電壓尖峰不會超器件的額定值;


3. 有源鉗位電路是可以頻繁動作的,前提是一定要評估IGBT和TVS的損耗在允許范圍之內,但實際為了可靠,還是盡量不讓其動作,或者只在每個電流周期的峰值動作幾次;


4. 任何一種技術都有利有弊,大家要學會根據自己的系統去平衡各種因素,這樣才能設計出性價比更高的產品。




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