IGBT有源钳位技术.docx
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IGBT有源钳位技术
IGBT应用技术之有源钳位详解
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。
文章来源:
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。
有源钳位电路的数学模型分析
(1):
实际上有源钳位电路可以用自动控制理论进行建模。
在控制理论中,有一个重要的术语,叫“反馈”,它的意思是,将某个物理量,引导至前面的环节,从而对该物理量产生影响。
反馈分成两大类:
1.正反馈
2.负反馈
正反馈的引入会使某物理量发散,而负反馈的引入会使某物理量收敛。
有源钳位正是利用了负反馈的原理,对集电极电位进行压制,使之收敛于某一给定值。
在实际的有源钳位电路中,反馈是存在的,集电极和门极之间通过一个回路建立了联系。
由于集电极的相位与门极的相位总是相反的,相差180度,(门极电位向上时集电极电位向下),所以反馈系统中存在一个“负号”,因此这是一个负反馈。
有源钳位电路的数学模型分析
(2):
下图为有源钳位电路的控制环路的数学模型:
Vz:
环路给定值,实际为TVS管的击穿电压;
Vc:
被控对象,实际为IGBT的集电极电位;
P:
环路的前向传递函数,可以理解为门极对集电极的影响能力,是IGBT芯片内部的行为;
G:
环路的反馈传递函数,可以理解为集电极信号被传达到门极时所经过的路径的行为;
环路的带宽:
这是指环路对被控对象的响应速度,如果被控对象变化速度很快,那么环路的速度必须比被控对象更快,否则就没有办法对被控对象进行控制。
在这个电路里,如果带宽不够,其具体表现为,集电极电位钳不住。
所以,有源钳位电路必须是高带宽环路。
影响有源钳位电路的速度(带宽)的因素:
被控对象(集电极电位)的性质:
这是一个速度非常快的模拟量,电压尖峰只会出现100ns~300ns左下,甚至更短;
这就要求,控制回路必须比集电极电位变化更快,才能控制住集电极电位。
换句话说,这要求,控制环路的带宽必须很高,是超高速模拟电路。
这里有两个因素会影响环路速度,分别是P和G所代表的回路,有以下结论:
1.P所在的回路,是IGBT的门极对集电极的影响能力,这一环节由IGBT芯片决定;
2.G所在的回路,即TVS回路,要求快速。
TVS的性能对有源钳位性能影响极大,TVS的品牌和型号需要仔细挑选,且这一路径必须靠近IGBT模块,连接的PCB线要短,否则这个电路的性能会受较大的影响,其直接表现为,电压钳不住。
有源钳位电路的关键点:
从下图可知,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。
下图为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。
基本有源钳位电路的缺点:
上页中所表示的基本的有源钳位电路是有明显的缺点的,如下图所示。
首先明确,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。
或者说,电路的有效性降低。
其次,TVS管的功耗非常大,导致必须选取封装较大的TVS,导致物料比较贵,难以购买,误差偏大,结电容过高等缺点。
改进的有源钳位电路
(1):
这个电路的特点是,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。
这可以减少流过TVS的电流,提高这个电路的性能。
但这个电路最大的缺点是:
有源最后一级的推动级(三极管推挽电路),有较大的时间延迟,相位滞后,会使前面所说的P环节的速度下降,导致电路变慢,使集电极电位不能被及时钳住。
电路的效果不好。
改进的有源钳位电路
(2):
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。
这个电路的缺点是,虽然TVS的电流得到了一定程度的减小,但最前级驱动仍然存在电流旁路。
TVS的工作点仍然不够优化。
这种电路在SCALE1中的即插即用型驱动器产品已经在使用,例如,1SD536F2等。
CONCEPT公司推出的“AdvancedActiveClamping”:
下图就是CONCEPT公司推出的基于SCALE2芯片组的AdvancedActiveClamping的功能示意图。
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40mA时,下管Mosfet开始被线性地关断,当电流大于500mA时,下管Mosfet完全关闭。
(以上电流数值为约数)
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,钳位的准度及电路的有效性大大提高。
有源钳位电路的调试及观测方法:
在调试有源钳位电路时,如果需要观察有源钳位功能是否有动作,需要:
1.诱发有源钳位
2.观测门极波形或者A点波形
有源钳位动作发生,在集电极上必须有足够高的电压,诱发的办法是,将母线电压抬得较高,较接近钳位点,例如钳位点在850V,则将母线调至750V或800V。
然后用双
脉冲做2倍额定电流关断,或者短路电流的关断,此时会产生较大的电压尖峰,就能观察到有源钳位动作。
用示波器观察GE波形,在电流Ic下降的过程中,门极会发生上翘,且电流斜率会轻微变小,这是典型的有源钳位动作。
根据产品的manual,用示波器观察A点(下图)波形,参考COM(图中的-10V),该点电位超过1.3V时,下管mosfet开始线性关断,当该电位达到20V时,下管mosfet完全关断。
此时门极完全悬空,需要门极钳位二极管钳住门极电位,不至于超出15V。
AdvancedActiveClamping的实际表现
(1):
下图是关断7500A电流(短路测试)时产生的有源钳位动作。
黄线为Vge;蓝线为Vce;绿线为Ic(2KA/格)
可以看出:
1.门极波形从15V下跳时,Ic开始下降,同时产生了电压尖峰
2.电压尖峰最高到达约2600V,然后被钳在2500V
3.电流在下降过程中的斜率被改变了
4.通常需要500ns就能关断的电流用了1.5us才被完全关断
AdvancedActiveClamping的实际表现
(2):
有源钳位电路的超调现象:
下图是某450A/1200V的IGBT模块在关断两倍额定电流及短路电流时,有源钳位电路动作的情况。
驱动器为2SP0115T-12。
可以看到,有源钳位动作时,集电极电位实际上最终会到达一个比设定钳位点更高的电压值。
这是因为,有源钳位电路必然存在超调。
有源钳位电路的环路起作用的条件是:
集电极电位达到击穿门槛值。
根据环路的原理,这个信号需要通过TVS传达给门极,然后门极再影响集电极,才能将其钳住。
这个过程是需
要时间的,在这段时间内,集电极电位仍然会继续上升,这就造成了超调。
其本质原因是:
控制环路总是滞后于被控对象。
有源钳位电路的本质的阐述:
IGBT在工作时,其工作点会在“饱和导通区”及“截止区”之间切换,其实这个过程中,IGBT是要穿越“线性区”的,在线性区中,IGBT的损耗是比较高的。
关断电压尖峰的本质:
IGBT关断时,主回路的杂散电感中所存储的能量都需要有释放的途径,最常见的途径就是产生电压尖峰,在关断的过程中,这些能量都以关断损耗的形式耗散在IGBT上。
然而电压尖峰太高会损坏IGBT,因此,有源钳位就是将能量由高而窄的脉冲,转变成矮而宽的脉冲,这个过程中耗散掉的能量仍然是杂散电感所存储的能量。
有源钳位电路的本质:
驱动器使IGBT的关断过程延长,目的是将杂散电感的能量耗散在IGBT上,或者说“让IGBT在线性区里多待一会”。
有源钳位电路可以每脉冲动作吗?
在实际应用中,有可能会遇到杂散电感比较大的情形,或者是IGBT的关断时的di/dt很大的情形。
例如在使用1200V或1700V,额定电流超过2000A的IGBT,其关断di/dt通常都非常可观,即便母排的杂散电感为正常水平,产生的电压尖峰也会很高。
在这种应用下,有可能每次关断都会触发有源钳位电路。
但是,这是必要的,否则IGBT就会损坏。
在有源钳位电路每脉冲动作的情况下,压力会落在TVS上,因为每脉冲都会击穿TVS,在TVS上产生损耗,因此TVS的温升是关键物理量。
输出电流越大,频率越高,TVS压力越大,前提是有源钳位每脉冲动作。
所以,有源钳位每脉冲动作也是可以接受的,只要TVS的温升可以接受。
不过,实际上这种情况非常少见,需要讨论的时候很少。
有源钳位动作时会导致桥臂直通吗?
很多人会有一个误解,认为有源钳位动作时就是“把IGBT重新打开”,然后会导致直通,其实这句话的表达有问题。
从前面的有源钳位的实际动作中可以看出来,有源钳位动作时,实际上IGBT的电流并没有下降到零。
所以IGBT并没有关断,“重新打开”的说法是不恰当的。
应该改成:
有源钳位把IGBT的关断电流的“斜率变小了”。
从时间的角度来说,有源钳位发生的全过程通常不会超过300ns,发生的时刻是IGBT电流下降的时刻。
而死区时间通常为3us以上,也就是,有源钳位发生完后3us,另外一个IGBT才会开通,所以这两个事件实际上有很大的时间差,是不会因为有源钳位动作而导致直通发生的。
在有源钳位电路中,TVS是最关键的元件。
下面以ST公司的SMBJ130A为例进行解读。
该器件漏电流为1uA时,电压为130V;其击穿点是电流为1mA时,此时电压为144V~152V。
当6片SMBJ130A串联在一起,则其击穿门槛的最低值为144V×6=864V,典型值为152×6=912V。
可以看出,由于TVS目前的技术水平所限,其击穿点的电压是比较宽的,是一个范围。
TVS的温度特性是正温度特性的,ST公司的SMBJ130A的温度系数大约为+1‰;其他品牌的温度系数都能在datasheet中查到。
在-40度时,TVS的击穿点比25度时大约下降6~8%.
因为有源钳位的动作点实际上是一个范围,在CONCEPT产品(即插即用)的datasheet中,通常会给出对母线电压最大值的约束,而不会直接给出有源钳位点的数值。
如下图(1SP0635-33):
下图为2SP0320-12:
需要注意,以上截图中讨论的母线电压都是稳态值,不是指的电压尖峰。
通常有源钳位的击穿点的中心值大约为:
1200VIGBT:
~900V
1700VIGBT:
~1320V
3300VIGBT:
~2400V
4500VIGBT:
~3300V
有源钳位电路的必要性的评估:
通常在大功率的IGBT的应用中,有源钳位的功能是非常必要的,而功率越小,必要性越低。
其原因是随着系统的功率变大,IGBT的di/dt会增大,且杂散电感也会越大,因此电压尖峰会越高。
下表说明不同IGBT在关断额定电流时的di/dt的水平:
在IGBT短路时,关断短路电流的di/dt会更高,比关断额定电流要高很多,因此短路时电压尖峰更高。
所以有可能出现,驱动器发现了IGBT的短路现象,并且也及时关断,但是由于di/dt太高,产生了非常高的电压尖峰,在关断该短路电流后仍然可以打坏了IGBT。
这时,有源钳位电路就非常必要。
假设母排杂散电感为100nH,则在7000A/us的电流变化率下,电压尖峰将高达700V。
有源钳位电路对母线电压的约束:
在使用有源钳位电路时,母线电压有非常严格的规定,母线电压的数值一定要低于有源钳位电路的门槛值。
这里所指的母线电压不是指的电压尖峰,而是母线电容上的电压,这个电压是一个大惯性物理量。
下面举一个反例,以说明其后果。
下图中母线为1000V,有源钳位的击穿门槛为850V;当上管二极管续流,电流朝内;或者上管IGBT开通,电流朝外;以上两种情况,下管处于关断态。
此时下管的有源钳位电路会被击穿,TVS的电流会流向门极,门极电位被抬升,导致下管IGBT被打开。
此IGBT会工作在线性区,产生很大的损耗,直到最后炸机。
可见,这是非常危险的一种情况,必须避免。
单一门槛的有源钳位电路所存在的问题:
本文前面所讨论的有源钳位电路,其击穿门槛都只有一个点,在一些应用中,这会带来严重的问题,例如:
1.HVDC应用中,系统失效时,功率单元母线电压被整流且抬升;
2.牵引应用中,受电弓与电网脱落,且机车制动,母线电压被抬升;
3.太阳能应用中,电池板开路电压较高,母线电压偏高;
4.SVG应用中,电网系统故障,功率单元母线电压被整流且抬升;
5.风电Crowbar中,IGBT静态电压偏高;
6.电动汽车应用中,电池端直流接触器断开,且汽车制动,母线电压会被抬高;
7.APF应用中,母线电压选取过高;
8.…..
在以上所列的具体应用中,一旦母线电压超过有源钳位的门槛,IGBT就会进入线性区,IGBT上的损耗很大,短时间内就会失效。
但是我们不能因为有源钳位有这个问题就放弃有源钳位功能。
因此我们需要对这个功能进行改进----动态有源钳位。
如果把有源钳位的动作门槛设计成两个值,且门槛会随着IGBT的工作状态的变化而变化,这样既能保留有源钳位功能----防护IGBT,又能回避在某些具体应用中带来的问题。
CONCEPT提出了一种新的有源钳位电路---动态有源钳位,可以顺利地解决这个问题。
动态有源钳位电路实现的目标:
1.在IGBT关断过程中,用合理的门槛值对集电极电位进行钳位,使IGBT的电压尖峰不至于太高而损坏;
2.在IGBT持续保持关断时,将有源钳位的门槛调高,这样即使母线电压偏高,也不至于碰到第二个更高的门槛点,这样就不会出现前一页所说的问题。
动态有源钳位电路的介绍(DynamicAdvancedActiveclamping):
我们将有源钳位的动作门槛设置成动态的,Vth1是高门槛,Vth2是低门槛。
在IGBT开通时刻,同步地将门槛降低为Vth2,在IGBT关断后,延迟一段时间(约15~20us),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,钳位门槛是在Vth2。
用低门槛对IGBT的关断行为进行防护。
如果母线电压因为某种原因而升高,IGBT在关断态时,钳位电路的门槛处在高位,不会发生有源钳位电路动作。
这种方案能较好的解决某些应用中很现实的问题,是一种非常有竞争力的解决方案。
动态有源钳位电路的实现方法及其难点:
动态有源钳位的实现方法如上图示,部分的TVS上并联了一个小的IGBT,当该IGBT导通时,TVS的门槛就降低了,当IGBT截止时,TVS的门槛就上升了。
这个电路的难点:
在于这个电位浮起的IGBT很难被驱动,需要给它的发射极合适的参考电位。
软关断电路与有源钳位电路的比较
(1):
软关断电路的原理是:
在IGBT关断的过程中,用一个较大的电阻对门极的电荷进行释放,从而实现门极电压出现缓慢下降,这样IGBT的电流会缓慢下降,di/dt会比较小,产生的电压尖峰也会比较小。
所以,软关断电路的目的是:
减小关断过程的电压尖峰。
软关断电路触发的条件:
软关断电路可以在每个关断脉冲都工作吗?
答案是不行。
因为那样损耗极高。
软关断电路的触发条件是IGBT短路故障,也就是说,通常这个功能是用于关断短路电流的时刻。
而且这个动作发生后,驱动器一定会报保护信号,机器随后就会停机了。
软关断电路只适用于短路保护时刻!
软关断电路与有源钳位电路的比较
(2):
Ø软关断电路是一个开环电路,它被触发的条件是驱动器检测到短路保护,它只能在这个时候有效。
Ø有源钳位电路是一个闭环电路,它被触发的条件是集电极电位到达TVS击穿门槛,它在任何时候都有效。
ØIGBT在关断1倍额定电流或者2倍额定电流时,产生的电压尖峰已经很高,但此时关断IGBT,并不会触发软关断功能,不过IGBT可能会面临高电压尖峰的风险;
Ø对于有源钳位功能,无论IGBT关断多大的电流,无论是否短路保护或者霍尔器件发出的过流保护指令,只要电压尖峰到达TVS击穿门槛,电路就会工作,对IGBT进行防护;
总结:
软关断功能所覆盖的场合很单一,在更多的场合下,它不能有效动作;有源钳位功能由于是闭环系统,在所有的场合下都能有效工作进行IGBT防护。