【经验】浅谈IGBT短路保护时的电压尖峰钳位设计
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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