【经验】如何计算IGBT驱动有源钳位保护TVS二极管数量？

时间： 2018-04-01 来源：世强

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什么是IGBT驱动有源钳位？

它是一种可在IGBT关断时使瞬态过压保持低于临界极限的技术，通过使用瞬态电压抑制二极管(TVS)来限制功率半导体（如MOSFET或IGBT模块）的关断过压来实现。

IGBT驱动有源钳位电路

在IGBT的集电极（C极）和栅极（G极）连接辅助TVS管，此为有源TVS管。当IGBT的VCE电压超过TVS二极管击穿电压时，TVS二极管开始导通，这个电流加起来即为IGBT驱动器输出电流的值并导致IGBT的VGE电压增加。因此，IGBT仍处于有源模式，关断过程延长。增加有源钳位TVS二极管，会减慢IGBT集电极电流Ic的变化率，从而限制IGBT过压并降低IGBT关断过压ΔVCE。提供IGBT驱动有源钳位电路如下图1所示，其中虚线框内的TVS组串为有源钳位TVS管。

图1：IGBT驱动有源钳位电路示意图

当IGBT加入有源钳位TVS管保护后，将致使IGBT的VGE浪涌电压下降。那么，提供这种浪涌保护所需的TVS二极管是如何选型的，有多少数量要求呢？下面举例说明。

假定，针对直流母线电压小于600V，规格为1200V的IGBT，所以选用800V（VBR=900V）的TVS二极管组合是可以接受的。当IGBT的VCE出现1300V的浪涌电压时，出现浪涌电流的时间为0.5μs，出现间隔时间为0.5ms，此浪涌电压在TVS二极管中产生5A的浪涌电流 (实际要结合图1中的R_GE和R的值)。

1、首先：计算下浪涌脉冲的功率P_D，公式为P_D=V_BR × I_PP × t_P/T，各参数代表含义如下：

• V_BR：TVS二极管的击穿电压，V_BR=900V

• I_PP：流经TVS二极管的浪涌电流，I_PP=5A

• t_p：流经TVS二极管的浪涌电流产生的时间，t_p=0.5μs

• T：流经TVS二极管的浪涌电流的间隔时间，T=0.5ms

将上面数值带入可得，P_D=V_BR × I_PP × t_P/T= 900V × 5A × 0.5μs/500μs = 4.5W

2、根据如上参数，推荐可用LITTELFUSE 1500W表面贴装的SMCJ系列TVS二极管，因为它具有R_ΘJA=75°C/W的热阻抗，R_ΘJA代表的含义是Junction to Ambient Temperature，可参考如下图2所示。

图2：Littelfuse SMCJ系列TVS二极管最大热阻参数对照表

3、假定电机在环境温度Tc（max）=60℃条件下正常工作，那么每个SMCJ TVS管容许的最大功率是(150℃-60℃)/75℃/W=1.2W。所需TVS二极管数量N=4.5W/1.2W=3.75pcs来确定，所以至少应有四个TVS二极管进行串联以获得足够的裕量。同时，每个TVS二极管的击穿电压VBR应共享，单个TVS二极管的VBR=900/4 = 225V。最后，通过确认SMCJ TVS管选型表，参考如下图3所示，推荐使用四个Littelfuse的SMCJ220A TVS二极管。

图3：Littelfuse SMCJ系列TVS二极管参数选型对照表

Ps：TVS系列的选择也是基于R和R_GE的实际值。实际工作条件下也可使用较低额定功率的瞬态抑制二极管(如Littelfuse的SMAJ或SMBJ等)。

最后，介绍下Littelfuse SMCJ220A TVS二极管核心技术优势：

1、极低的热阻抗特性，R_ΘJA=75°C/W，将因TVS失效出现的过热烧毁风险降至更低，保证系统更安全可靠。

2、极低的漏电流，IR＜1μA

3、可承受高达46.3A的峰值浪涌电流

4、宽的工作结温和存储温度：-65℃~150℃

5、通过IEC-61000-4-2 ESD认证，15kV(Air), 8kV (Contact)

6、世强常备库存，供货、交期均有保障

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全部评论（9）

主观能动性 Lv3. 高级工程师 2018-11-07

“”根据如上参数，推荐可用Littelfuse 1500W表面贴装的SMCJ系列TVS二极管”，怎么就选它了，不要跳过啊。。。。
主观能动性 Lv3. 高级工程师 2018-11-07

刚好有这方面的困惑。
电源大混子 Lv3. 高级工程师 2018-05-10

学习学习，对我有用
用户75046288 Lv3. 高级工程师 2018-05-09

学习了
海阔and天空 Lv4. 资深工程师 2018-05-08

这个好！有用！！

LouBing Lv7. 资深专家 2018-05-07

很好的方法，收藏了
Zzpl Lv6. 高级专家 2018-05-06

不错，学习了
TAO Lv7. 资深专家 2018-05-06

不错，学习一下
用户_6866 Lv7 2018-05-03

电流怎么个计算法
- 世小强回复：您好，相关技术问题可到“技术难题”频道提问，我们有专家团队为您提供专业的解答！

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LITTELFUSE SMCJ-HRA系列瞬态抑制二极管选型表

反向隔离电压：3.3V至600V 峰值脉冲额定功率：200W至30KW 可提供高电流保护，峰值脉冲电流：8/20 1kA、3kA、6kA、10kA、15kA至20kA

产品型号	品类	厂牌	Reverse Stand off Voltage Vʀ (Volts)	Breakdown Voltage Vʙʀ (Volts) @ Iᴛ Min	Breakdown Voltage Vʙʀ (Volts) @ Iᴛ Max	Test Current Iᴛ (mA)	Maximum Clamping Voltage Vᴄ @ Iᴘᴘ (V)	Maximum Peak Pulse Current Iᴘᴘ (A)	Maximum Reverse Leakage Iʀ @ Vʀ (µA)
SMCJ5.0A-HRA	TVS Diodes	LITTELFUSE	5	6.4	7	10	9.2	163	800

选型表 - LITTELFUSE 立即选型

LITTELFUSE SMCJ系列瞬态抑制二极管选型表

反向隔离电压：3.3V至600V 峰值脉冲额定功率：200W至30KW 可提供高电流保护，峰值脉冲电流：8/20 1kA、3kA、6kA、10kA、15kA至20kA

产品型号	品类	厂牌	Reverse Stand off Voltage V-R (Volts)	Breakdown Voltage V-BR (Volts) @ I-T MIN	Breakdown Voltage V-BR (Volts) @ I-T MAX	Test Current I-T (mA)	Maximum Clamping Voltage V-C @ I-PP (V)	Maximum Peak Pulse Current I-PP (A)	Maximum Reverse Leakage I-R @ V-R (µA)
SMCJ5.0A	TVS Diodes	LITTELFUSE	5	6.4	7	10	9.2	163	800

选型表 - LITTELFUSE 立即选型

【产品】VBUS电流为100A的SP1224瞬态抑制二极管，可为USB快速充电电路等电流密集型应用提供一流保护

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2018-11-14 - 新产品代理服务技术支持现货查询批量订货

LITTELFUSE SMCJ-HR系列瞬态抑制二极管选型表

反向隔离电压：3.3V至600V 峰值脉冲额定功率：200W至30KW 可提供高电流保护，峰值脉冲电流：8/20 1kA、3kA、6kA、10kA、15kA至20kA

产品型号	品类	厂牌	Reverse Stand off Voltage Vʀ (Volts)	Breakdown Voltage Vʙʀ (Volts) @ Iᴛ MIN	Breakdown Voltage Vʙʀ (Volts) @ Iᴛ MAX	Test Current Iᴛ (mA)	Maximum Clamping Voltage Vᴄ @ Iᴘᴘ (V)	Maximum Peak Pulse Current Iᴘᴘ (A)	Maximum Reverse Leakage Iʀ @ Vʀ (µA)
SMCJ5.0A-HR	TVS Diodes	LITTELFUSE	5	6.4	7	10	9.2	163	800