在IGBT主動箝位利用高壓TVS二極體

作者 : Littelfuse

在正常的開關操作和超載條件下,模組的高電流密度以及高開關速度對驅動電路提出了更高的要求。主動箝位開關技術(active clamping switching)提供的解決方案說明了現代的大功率的IGBT如何能以高可靠性被利用,尤其是在高速鐵路、車輛牽引等應用中。

絕緣閘雙極電晶體(IGBT)因使用方便、高電壓和高電流驅動能力而被廣泛應用於電力逆變器、工業驅動器、電動車充電器、馬達控制、家用電器感應加熱等領域。如今,功率半導體製造商正在提供功率密度越來越高的IGBT模組,功率密度極限由可以消耗的最大功率損耗決定; 最佳化標準是封裝技術以及半導體晶片的傳導和開關損耗。

在正常的開關操作和超載條件下,模組的高電流密度以及高開關速度對驅動電路提出了更高的要求。主動箝位開關技術(active clamping switching)提供的解決方案說明了現代的大功率的IGBT如何能以高可靠性被利用,尤其是在高速鐵路、車輛牽引等應用中。

IGBT關斷期間的過電壓分析

IGBT模組和轉換器電路的寄生電感無法完全消除。它們對系統行為的影響也不容忽視。圖1顯示了整流電路中包含的寄生電感。關斷IGBT引起的電流變化會在其集電極端產生過衝電壓,如圖2所示。

圖1:寄生電感。

原則上,IGBT的開關速度(以及關斷過電壓)會受到關斷閘極電阻Rg(off)的影響。此技術特別用於較低的功率水準。然而,Rg(off)必須匹配超載條件,例如雙倍額定電流的關斷,短路和臨時增加的鏈路電壓。在常規操作中,這會增加開關損耗和關斷延遲,從而降低模組的可用性或效率。因此這種簡單的技術不適合現代大功率模組。

 

圖2:IGBT關斷過衝。

 

軟關斷

上一段中描述的問題導致了兩級關斷、軟關斷和慢關斷驅動電路的發展,這些驅動電路使用可逆閘極電阻工作。在常規操作中,低歐姆閘極電阻器用於關斷IGBT,以將開關損耗降至最低;當檢測到短路或浪湧電流時,使用高歐姆閘極電阻器(圖3)。

 

圖3:軟關斷。

 

然而,問題是在可靠地檢測這些條件時,去飽和度監測(desaturation monitoring)始終會延遲一段時間(即響應時間),直到檢測到故障(通常為4-10μs)。在發生短路的情況下,以比回應時間短的脈衝來驅動IGBT時,不會檢測到故障,並且驅動器會很快關閉。產生的過電壓會損壞IGBT。此外,極限情況的覆蓋範圍(在過電流/非過電流之間)會帶來問題;例如,當關閉雙倍額定電流時,很可能會產生比短路關斷時更高的過電壓。

這些類型的驅動器電路必須被認為是危險的。 建議使用者不要在更高功率的設備和期望具有高可靠性的系統中使用它們。

主動箝位

傳統上,主動箝位僅在出現暫態超載(transient overload)時才用於保護半導體。因此,箝位元件永遠不會受到重複脈衝操作的影響。重複操作的問題受到IGBT和驅動器功率的限制;在主動箝位期間,IGBT和驅動器都會吸收能量。主動箝位是指通過具有雪崩特性的元件將集電極電位直接回饋到閘極。圖4用IGBT開關說明了這一原理。

 

圖4:主動箝位拓撲。

 

回饋支路由鉗位元件組成,該鉗位元件通常由一系列暫態電壓抑制(TVS)二極體組成。如果集極-射極電壓超過鉗位元件的近似擊穿電壓,則電流會透過回饋流到IGBT的閘極,提高其電勢,從而降低集極電流的變化率,產生穩定的狀態。

然後,通過鉗位元件的設計確定IGBT兩端的電壓。 IGBT在其輸出特性的有效範圍內運作,並將雜散電感中儲存的能量轉換為IGBT的熱量。鉗位過程一直進行到雜散電感被消磁為止。 在圖5的下半部說明了基於典型曲線的基本關係。

 

圖5:主動箝位波形。

 

一個高壓TVS二極體,或串聯在一起形成高壓的幾個低壓TVS二極體,可用於基於直流電源線電壓或IGBT Vce提供主動箝位。

Littelfuse TVS TPSMB系列的隔離電壓範圍為150V至650V,可用於不同電壓和功率的IGBT。 根據保護要求,在某些情況下,可以串聯連接2至3個TVS二極體以形成較高電壓的TVS,而這串TVS二極體有助於共用每個TVS電壓,以實現更好的電氣爬電和功率處理。

主動箝位的詳細測試

Littelfuse並開發了主動箝位測試評估板,可協助使用者更充分了解主動箝位的運作模式。圖6所示的TD352是一個IGBT閘極驅動晶片,為小型IGBT模組MG12100S-BN2MM IGBT提供驅動信號。TPSMB600CA-A是一種車規TVS二極體,峰值脈衝功率為600W(@10/1000),擊穿電壓為600V。此評估板提供了測試離散封裝(如TO-247)中的IGBT或與Q2銅線連接的模組型IGBT的靈活性。

 

圖6:主動箝位評估板電路拓撲。

 

圖7:主動箝位範例的佈局和功能。

主動箝位時間(t)取決於電路寄生電感(L)和峰值短路電流(i),公式為Vovershoot = L * di / dt。 如果Vce兩端的過衝電壓較高,則主動箝位時間較長(由於衰減時間較長),因此,如果電路寄生電感或峰值短路電流較高,則過衝電壓將會較高,反之亦然。

板上去耦設計可以減少寄生電感,進而減少過衝電壓或有效鉗位時間。主動鉗位期間流過TVS二極體的電流很小,在這種情況下,電湧或脈衝持續時間通常處於微秒級。我們需要證明通過TVS二極體的能量處於TVS二極體可以承受的水準,沒有任何問題。

圖8:TPSMB600CA-A和500 V直流電壓下的實際主動箝位。

 

圖9是從TPSMB TVS二極體資料手冊複製的峰值脈衝功率與脈衝寬度時間的關係圖。在主動箝位期間,對於短脈衝下TVS二極體兩端的浪湧電壓高於500V的情況,它顯示峰值功率(圖9中的箭頭所示的點)在2微秒時為656V * 0.5A = 328W ,它遠低於TPSMB TVS二極體的脈衝寬度峰值功率額定值(如圖9所示,在2微秒時約為10 kW)。 這意味著TVS二極體將在主動箝位期間承受這種短暫的浪湧。

 

圖9:TPSMB系列TVS二極體峰值脈衝功率與脈衝時間的關係。

 

請注意,IGBT或IGBT模組由IGBT驅動電路或驅動晶片驅動;不同的驅動晶片或驅動電路會影響驅動性能。通常,Rg值對控制IGBT的驅動電流至關重要,驅動線路中較低的Rg可以產生稍高的TVS主動箝位電流。本應用說明旨在揭示主動箝位保護。此外,它還旨在顯示在有源箝位元保護期間通過TVS二極體(對TVS二極體本身沒有損害)的低能量水準。

結語

高壓TVS二極體是IGBT關斷事件期間IGBT主動箝位的關鍵元件,有助於在安全和主動模式下操作IGBT。Littelfuse提供了從3.3V至650V的各種高壓TVS二極體。

本文由Littelfuse供稿

 

 

 

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