在IGBT有源钳位应用中使用高压TVS二极管

绝缘栅双极晶体管（IGBT）因其使用方便、高电压和高电流驱动能力而被广泛应用于电力逆变器、工业驱动器、电动汽车充电器、电机控制、家用电器感应加热等领域。如今，功率半导体制造商正在提供功率密度越来越高的IGBT模块。功率密度极限由可以消耗的最大功率损耗决定；优化标准是封装技术以及半导体芯片的传导和开关损耗。在正常的开关操作和过载条件下，模块的高电流密度以及高开关速度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现代的大功率的IGBT如何可以被高可靠性地使用，尤其是在高速铁路和汽车牵引的应用中。

IGBT模块和转换器电路的寄生电感无法完全消除。它们对系统行为的影响也不容忽视。图1显示了整流电路中包含的寄生电感。关断IGBT引起的电流变化会在其集电极端产生过冲电压，如图2所示。

原则上，IGBT的开关速度（以及关断过电压）会受到关断栅极电阻Rg (off)的影响。此技术特别用于较低的功率水平。然而，Rg (off)必须匹配过载条件，例如双倍额定电流的关断，短路和临时增加的链路电压。在常规操作中，这会增加开关损耗和关断延迟，从而降低模块的可用性或效率。因此，这种简单的技术不适合现代大功率模块。

图1：寄生电感

图2：IGBT关断过冲

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电路的发展，这些驱动电路使用可逆栅极电阻工作。在常规操作中，低欧姆栅极电阻器用于关断IGBT，以将开关损耗降至最低；当检测到短路或浪涌电流时，使用高欧姆栅极电阻器（见图3）。然而，问题是在可靠地检测这些条件时，去饱和度监视始终会延迟一段时间（即响应时间），直到检测到故障（通常为4-10μs）。在发生短路的情况下，以比响应时间短的脉冲来驱动IGBT时，不会检测到故障，并且驱动器会很快关闭。产生的过电压会损坏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，当关闭双倍额定电流时，很可能会产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。建议用户不要在更高功率的设备和期望具有高可靠性的系统中使用它们。

传统上，有源钳位仅在出现瞬态过载时才用于保护半导体。因此，箝位元件永远不会受到重复脉冲操作的影响。重复操作的问题受到IGBT和驱动器功率的限制；在有源钳位期间，IGBT和驱动器都会吸收能量。有源钳位是指通过具有雪崩特性的元件将集电极电位直接反馈到栅极。图4用IGBT开关说明了这一原理。

图3：软关断

图4：有源钳位拓扑

反馈支路由钳位元件组成，该钳位元件通常由一系列瞬态电压抑制（TVS）二极管组成。如果集电极-发射极电压超过钳位元件的近似击穿电压，则电流会通过反馈流到IGBT的栅极，提高其电势，从而降低集电极电流的变化率，产生稳定的状态。然后，通过钳位元件的设计确定IGBT两端的电压。IGBT在其输出特性的有效范围内运行，并将杂散电感中存储的能量转换为IGBT的热量。钳位过程一直进行到杂散电感被消磁为止。在图5的下半部分说明了基于典型曲线的基本关系。

图5：有源钳位波形

一个高压TVS二极管，或串联在一起形成高压的几个低压TVS二极管，可用于基于直流电源线电压或IGBT Vce提供有源钳位。

表1显示了Littelfuse TVS TPSMB系列，其隔离电压范围为150V至650V，这些电压涵盖了许多电压选项，可用于不同电压和功率的IGBT。根据保护要求，在某些情况下，可以串联连接2至3个TVS二极管以形成较高电压的TVS，而这串TVS二极管有助于共享每个TVS电压，以实现更好的电气爬电和功率处理。关于详细的选择，请参见下面的演示板及其测试数据。

表1：可用于IGBT有源钳位保护的Littelfuse TVS二极管型号

Littelfuse开发了有源钳位测试评估板，以帮助用户更好地了解有源钳位的工作方式。

图6中所示的TD352是一个IGBT栅极驱动芯片，它为小型IGBT模块MG12100S-BN2MM IGBT提供驱动信号。TPSMB600CA-A是一种汽车级TVS二极管，峰值脉冲功率为600W（@10/1000），击穿电压为600V。此评估板为用户提供了测试分立封装（如TO-247）中的IGBT或与Q2铜线连接的模块型IGBT的灵活性。

图6：有源钳位评估板电路拓扑

图7：有源钳位演示的布局和功能

图8：TPSMB600CA-A和500 V直流电压下的实际有源钳位

有源钳位时间（t）取决于电路寄生电感（L）和峰值短路电流（i），公式为Vovershoot = L * di / dt。如果Vce两端的过冲电压较高，则有源钳位时间较长（由于衰减时间较长），因此，如果电路寄生电感或峰值短路电流较高，则过冲电压将会较高，反之亦然。

板上去耦设计可以减少寄生电感，进而减少过冲电压或有效钳位时间。

蓝色：TVS电压

绿色：Vge电压

粉色：TVS电流

黄色：短Ice

主动钳位期间流过TVS二极管的电流很小。在这种情况下，电涌或脉冲持续时间通常处于微秒级。我们需要证明通过TVS二极管的能量处于TVS二极管可以承受的水平，没有任何问题。图9是从TPSMB TVS二极管数据手册复制的峰值脉冲功率与脉冲宽度时间的关系图。在有源钳位期间，对于短脉冲下TVS二极管两端的浪涌电压高于500 V的情况，它显示峰值功率（图9中的箭头所示的点）在2微秒时为656 V * 0.5 A = 328 W ，它远低于TPSMB TVS二极管的脉冲宽度峰值功率额定值（如图9所示，在2微秒时约为10 kW）。这意味着TVS二极管将在有源钳位期间承受这种短暂的浪涌。

图9：TPSMB系列TVS二极管峰值脉冲功率与脉冲时间的关系

注：请注意，IGBT或IGBT模块由IGBT驱动电路或驱动芯片驱动；不同的驱动芯片或驱动电路会影响驱动性能。通常，Rg值对控制IGBT的驱动电流至关重要，驱动线路中较低的Rg可以产生稍高的TVS有源钳位电流。本应用说明旨在揭示有源钳位保护。此外，它还旨在显示在有源箝位保护期间通过TVS二极管（对TVS二极管本身没有损害）的低能量水平。

结论：高压TVS二极管是IGBT关断事件期间IGBT有源钳位的关键元件，有助于在安全和有源模式下操作IGBT。Littelfuse提供了从3.3V至650V的各种高压TVS二极管。