IGBT有源钳位技术Word文档格式.docx
《IGBT有源钳位技术Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IGBT有源钳位技术Word文档格式.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
（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。
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。
IGBT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；
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。
升级会员 