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绝缘栅双极晶体管(IGBT)广泛用于功率逆变器,工业驱动器,电动汽车家用电器的充电器, 电机控制和感应加热,因为它们易于使用且性能高电压和电流驱动能力。如今,功率半导体制造商正在提供 IGBT 模块具有更高的功率密度。功率密度极限由功率损耗决定,消散优化标准是封装技术以及传导和开关损耗半导体芯片。模块的高电流密度以及高开关速度, 在正常开关操作和过载条件下,对驱动电路提出了更高的要求。
有源钳位开关技术提供的解决方案说明了如何实现现代的大功率 IGBT 具有很高的可靠性, 特别是在高速铁路和汽车牵引应用中。 IGBT 模块关闭瞬间高压分 IGBT 模块和转换器电路的寄生电感无法完全消除。其对系统行为的影响也不容忽视。 图1 IGBT开关图 图2 IGBT开关电压电流曲线 图 1 说明了包含在其中的寄生电感换向电路。关断 IGBT 引起的电流变化在其 IGBT 处产生过冲电压集电极端子,如图 2 所示。原则上,IGBT 的换向速度(以及关断过电压)会受到关断栅极电阻Rg(off)。该技术尤其用于较低的功率水平。但是,Rg(关闭)然后必须匹配过载条件,例如双倍额定电流的关断,短路和暂时增加的链接电路电压。在正常操作中,这会导致开关损耗增加,并且关闭延迟,从而降低了模块的可用性或效率。结果,这种简单的技术是不适合用于现代大功率模块。 上一段中描述的问题导致了两级关断,软关断和慢关断驱动器电路的发展,这些电路以可逆的栅极电阻工作。在正常操作中,低欧姆栅极电阻用于关闭 IGBT,以地降低开关损耗;高欧姆的当检测到短路或浪涌电流时使用“ A”)。但是,问题出在可靠地满足以下条件:去饱和监控始终会延迟一段时间,直到检测到故障为止(通常为 4-10μs)称为响应时间。当 IGBT 以比响应时间短的脉冲驱动时如果发生短路,则不会检测到故障,并且驱动器会过快地关闭。产生的过电压破坏 IGBT。此外,极限情况的覆盖范围(在过电流/非过电流之间)会带来问题;例如,关断双倍额定电流时,很可能会发生比短路关断时更高的过电压。这些类型的驱动器电路必须被认为是危险的。建议用户不要在更别使用它们电力设备以及期望高可靠性的系统中。 带高压TVS 钳位的电路分析 反馈支路由一个钳位元件组成,该钳位元件通常由一系列瞬态电压组成抑制(TVS)二极管。如果集电极-发射极之间的电压超过击穿电压的大约钳位元件,电流通过反馈流到 IGBT 的栅极,从而提高其电势,因此集电极电流的变化率减小,从而产生稳定的状态。 IGBT 两端的电压为然后由夹紧元件的设计决定。 IGBT 在其输出的有效范围内运行并将杂散电感中存储的能量转换为 IGBT 热。夹紧过程继续直到杂散电感被消磁。这里涉及的基本关系典型曲线的基础如图 3 的下部所示。 单个高压 TVS 二极管,或几个串联的低压 TVS 二极管,产生的高电平电压,可用于基于直流电源线电压或 IGBT Vce 电压提供有源钳位。从图4可以看出明显的保护效果。 保护器件TVS 一般选用leiditech P6SMB600CA或SMCJ600CA,根据动作电压需求可以调整型号。 图3 IGBT开关图(with TVS) 图4 IGBT开关电压电流曲线(with TVS) LEIDITECH P6SMB600CA 总结 电子产品的接口防护需用过压保护器件,很多工程师意识到要用保护器件,但由于选型不当或没按照 ESD 电路 PCB 设计原则,造成产品静电测试或 EMC 测试不通过,产品多次验证测试,浪费人力财力,造成产品延迟上市的事情总有发生,或过度设计,造成成本压力。 雷卯为客户提供电磁兼容 EMC 的设计服务,提供实验室做摸底测试,从客户高效, 控本方便完成设计,希望为更多的客户能快速通过 EMC 的项目,提高产品可靠性尽力。雷卯电子电磁兼容实验室,提供外围静电保护参考电路。 |
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