【经验】浅谈IGBT短路保护时的电压尖峰钳位设计

时间： 2019-07-09 来源：世强

技术问答

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，通常通过调整门极驱动电阻和吸收电容来解决。但在负载过载或者桥臂短路时，保护电路需要关断管子，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT非常容易被打坏，这种情况下一般会增加有源钳位电路，或者选择带有退饱和检测的隔离驱动芯片，本文将结合PI的SID11X2K系列隔离驱动芯片，谈谈IGBT短路保护时的电压尖峰钳位设计。

基本的有源钳位电路，如图1所示，当IGBT的集电极（C极）电位电压过高时，TVS被击穿，有电流流入门极（G极），门极电位被抬高，从而使关断电流不要过于陡峭，进而减小尖峰，这个钳位的过程本职是一个负反馈环路。集电极的电位会被钳位在IGBT的安全工作电压内。

图1 基本的有源钳位电路示意图

有源钳位电路的关键点：
当有源钳位电路工作时，TVS管的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。
TVS管的外特性如图2所示，其中有2个不同的工作点VBR和VC。工作点VBR的击穿电流比较小，工作电压比较低，而工作点VC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VBR下探至工作点VC，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。

图2 TVS管的外特性曲线图

针对IGBT短路保护时的电压尖峰抑制，现在很多工程师会选择带有退饱和检测的隔离驱动芯片，例如Power Integrations公司的SID11X2K系列的隔离驱动芯片，带有VCE的退饱和检测，配合有源钳位电路，很好的保障IGBT在短路保护关断时的可靠性，提高产品安全性能。

SID11X2K的外围电路如图3所示，SID11X2K的VCE管脚通过电容C404以及电阻串R400-R405实现IGBT的CE极管压降检测，从而实现退饱和保护功能。通过D403，D404，D405三颗TVS管来实现有源钳位设计，具体的钳位实现主要是图1中的红色线圈通过母线电压Vce将TVS管击穿后对相应的IGBT门极电容电进行充电，此时可以让IGBT维持导通，减小集电极上的电压应力。

图3 SID11X2K有源钳位加退饱和检测的典型电路

由以上可以看出，退饱和检测配合有源钳位电路设计，能很好的避免GBT在短路保护时关断尖峰电压造成的损害，提高IGBT使用的可靠性。

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Captain Lv7. 资深专家 2020-12-03

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