18-IGBT有源钳位技术的介绍-魏炜-20110426-Rev02

TechnicalTraining2011-5-20Rev03IGBT有源钳位技术的介绍WinsonWei（魏炜）[e-mail]：186-8878-5868©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage1IGBT有源钳位的意义有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，如果关断时产生的电压尖峰太高，或者太陡，都会使高的水平，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。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。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。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage2最基本的有源钳位电路右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个负反馈环路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。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage3有源钳位电路的关键点从右上图可知，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。右下图为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。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage4升时就到位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，如右图所示。首先明确，有源钳位电路工作在IGBT关断的首先明确，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电流部分流入门极，另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。其次，TVS管的功耗非常大，导致必须选其次，VS管的功耗非常大，导致必须选取很大个头的TVS，导致物料比较贵，难以购买，误差偏大，结电容过高等缺点。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage5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的电流增加了一级当于给TVS的电流增加了级增益。但这个电路仍然有缺点：1最前级的推动电路会旁路掉一部分TVS的电1.最前级的推动电路会旁路掉部分TVS的电流2.有源最后一级的推动级的时间延迟，相位滞后，会导致主电路产生振荡后，会导致主电路产生振荡©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage6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，但电流得到了定程度的减小，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。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage7CONCEPT公司推出的“AdvancedActiveClamping”右图就是CONCEPT公司推出的右图就是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。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从而使关断电流变缓慢达到电压钳位的效果这个电台回到+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，钳位的准度大大提高。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage8动态有源钳位电路的介绍(DynamicAdvancedActiveclamping)在一些应用中，例如太阳能逆变器，APF，牵引变流器等，母线电压有时可能会处在比较高的水平，会高于有源钳位动作的电压点较高的水平会高于有源钳位动作的电压点，此时若不加处理，有源钳位电路会进入连续动作状态，此时ASIC会有很大的风险，很容易损坏，我们必须设法回避这种情况的发生。我们将有源钳位的动作门槛设置成动态的，在IGBT导通时，门槛降低为Vth2，在我将有源位动作门槛设成动在导时门槛降低为在IGBT关断后，延迟一段时间，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。如果母线电压升高，IGBT在关断态时，钳位电路的门槛又比较高。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©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage9这种方案能较好的解决某些应用中很现实的问题，是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PowerSupplyVceMonitoringVCEVISOTurn-onDriverAdvancedActiveClampingppyMonitoringINACLVceMonitoringVCECOMVISOAUXPredriverTransformerInterfaceGLTurnonDriverRg(on)Turn-offDriverRg(off)GHAUXAUXBootstrapChargePumpPredriverVeeControlDACControlCircuit2VeeSCALE-2IGDTurnoffDriverAUXCOM©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage10