【導讀】在風電、光伏、新能源汽車、工業變頻等大功率應用場合
，主電路中母線電容到功率器件間存在較大雜散電感 (幾十到幾百nH)。功率器件在關斷時
，由於雜散電感Ls的存在
，通過Ls*di/dt感gan應ying產chan生sheng浪lang湧yong電dian壓ya，此ci感gan應ying高gao電dian壓ya與yu前qian端duan母mu線xian電dian容rong電dian壓ya方fang向xiang一yi致zhi，因yin此ci功gong率lv器qi件jian兩liang端duan疊die加jia的de電dian壓ya尖jian峰feng會hui超chao過guo母mu線xian電dian壓ya
，在zai過guo流liu或huo短duan路lu發fa生sheng時shi甚shen至zhi可ke能neng會hui超chao過guo功gong率lv器qi件jian的de耐nai受shou電dian壓ya而er導dao致zhi損sun壞huai。功gong率lv器qi件jian保bao護hu方fang式shi有youRC吸收回路、軟開關以及飽和壓降檢測限流等
，其中RC吸xi收shou回hui路lu具ju有you以yi犧xi牲sheng回hui路lu效xiao率lv為wei代dai價jia，同tong時shi可ke能neng帶dai來lai吸xi收shou回hui路lu溫wen度du過guo高gao的de風feng險xian。有you源yuan鉗qian位wei可ke以yi直zhi接jie加jia在zai驅qu動dong回hui路lu裏li麵mian，通tong過guo延yan緩huan驅qu動dong關guan斷duan來lai吸xi收shou浪lang湧yong能neng量liang
，能neng夠gou有you效xiao減jian小xiao尖jian峰feng電dian壓ya起qi到dao保bao護hu作zuo用yong
，因yin此ci有you源yuan鉗qian位wei方fang案an具ju有you占zhan用yong麵mian積ji小xiao、成本低、響應速度快、可靠性高等優點。

半橋電路工作時序

下xia圖tu為wei典dian型xing的de直zhi流liu變bian換huan器qi，輸shu入ru三san相xiang橋qiao式shi整zheng流liu
，後hou端duan半ban橋qiao，輸shu出chu采cai用yong全quan波bo整zheng流liu，其qi中zhong輸shu入ru每mei相xiang增zeng加jia保bao險xian絲si作zuo為wei過guo流liu與yu短duan路lu保bao護hu
，相xiang地di間jian增zeng加jia壓ya敏min作zuo為wei防fang雷lei擊ji保bao護hu，此ci雷lei擊ji通tong常chang指zhi感gan應ying雷lei。

由於直流母排到IGBT以及IGBT本身存在雜散電感，根據電感續流的特性，在IGBT關斷瞬間會在CE兩端產生感應電壓尖峰，雜散電感用Ls表示
，等效電路圖如下。

母線電壓Vs，電容C1與C3分壓，在Q1與Q2 IGBT單個導通的時候，另外一個IGBT的穩態電壓Vce為Vs
，當Q1與Q2同時關斷時，Vce電壓為1/2Vs。

對半橋電路IGBT工作時序展開分析：

1. IGBT Q2關斷，Q1開通

，此時1/2*Vs通過IGBT Q1對變壓器原邊充電，原邊電流Ip持續增加
，此時雜散電感Ls跟著一起充能，IGBT Q2兩端電壓為1/2*Vs。

2. Q2關斷，Q1由導通切換到關斷狀態
，此時變壓器電流Ip達到最大值，由於電感電流不能突變的特性，變壓器原邊漏感與電容C3以及IGBT Q2體二極管構成放電回路
，此時IGBT Q2輸出電容Coss從1/2*Vs放電到二極管導通壓降Vd。相應的電源Vs、IGBT Q1
、Q2以及雜散電感Ls構成放電回路，因為Q2兩端電壓逐步下降到二極管壓降Vd，Q1電壓逐漸上升到母線電壓(Vs-Vd)
，同時由於雜散電感Ls的續流特性
，推高Q1兩端電壓超過母線電壓，在過流或短路發生時甚至有可能造成IGBT損壞。

3. Q2關斷
，Q1關斷
，變壓器原邊漏感放電到歸零，電容C3通過漏感以及Q2結電容構成充電回路
，逐步把Q2電壓推到1/2*Vs，Q1電壓從Vs下降到1/2*Vs達到平衡狀態，變壓器原邊電流Ip下降到0。

4. Q2開通
，Q1關斷

，電容C3
、IGBT Q2與變壓器原邊構成充電回路，Q2電壓下降到飽和壓降
，Q1電壓逐步上升到母線電壓Vs
，此時Q2兩端Vce由於寄生電感電容的存在會有小電壓尖峰，變壓器原邊電流Ip持續上升
，線路雜散電感分布於整個線路當中，這裏等效電感位置移至下方電壓負端便於分析。

5. Q2由導通切換到關斷，Q1關斷，與工作時序2一樣，初始電流Ip為最大值
，原邊漏感與Q1體二極管、電容C1構成放電回路，Q1電壓下降到Vd
，Q2電壓由於雜散電感的存在電壓上升超過(Vs-Vd)
，尖峰電壓達到最大。

6. Q2關斷，Q1關斷，漏感能量消耗完，母線電壓通過IGBT Q1與Q2結電容構成分壓回路
，Vce電壓達到1/2*Vs，接下來就重複時序1的步驟。

IGBT有源鉗位電路的意義

IGBT有源鉗位的核心是檢測Vgc壓降，通過延緩IGBT關斷

，限製因為高di/dt引起的電壓尖峰。

（1）有(you)源(yuan)鉗(qian)位(wei)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)要(yao)點(dian)是(shi)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)盡(jin)量(liang)不(bu)參(can)與(yu)動(dong)作(zuo)
，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)關(guan)斷(duan)電(dian)壓(ya)與(yu)電(dian)流(liu)的(de)重(zhong)疊(die)麵(mian)積(ji)
，達(da)到(dao)減(jian)少(shao)損(sun)耗(hao)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)目(mu)的(de)。由(you)於(yu)係(xi)統(tong)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)的(de)存(cun)在(zai)，IGBTliangduanbukebimianhuichengshouchaoguomuxiandejiancidianya，zhengchanggongkuangxiatongguohelibubanyumupaishejikeyijianxiaocijishengdiangan，tongshitongguoqudongdianzudehelixuanpeidadaoIGBT兩端電壓在關斷時不超過其耐壓，使其處於安全工作區。

（2）在母線電壓過高時
，通過雜散電感疊加到IGBT兩端的電壓可能會達到很高水平，作為電壓敏感型器件
，超過Vce耐壓會使其損壞。有源鉗位的目的是通過檢測集電極電壓限值，通過TVS導通給驅動回路提供電流
，使其延緩關斷
，起到減小電壓尖峰的作用。

（3）有源鉗位電路是把TVS串聯於IGBT門極與集電極，此TVS通常選擇小功率400~600W即可。另外一種常見的保護方式是在IGBT CE兩端並聯吸收回路，此回路不僅功率要求大同時占板麵積大

，有源鉗位通過大功率IGBT本身來消耗此多餘的能量，可以有效減少線路元件數量與散熱要求。

有源鉗位工作時序

如下為典型的有源鉗位電路，此電路裏麵采用2個TVS串聯構成，其優點體現在可以耐受更高回路電壓，同時可以吸收更大的浪湧能量。其工作原理為：在IGBT集電極電壓過高時TVS被擊穿，通過限流電阻流進門極，門極電容被充電，在門極電阻Rg兩端疊加左負右正電壓，因此Vge電壓得到抬升，從而使IGBT延緩關斷，di/dt斜率變緩，雜散電感產生的電壓尖峰減小。

下圖為有源鉗位動作時IGBT的電流電壓波形
，初始狀態IGBT處於開通狀態，此時電路處於充電狀態，Ice持續增加，Vce為飽和壓降。

1. t0開始驅動關斷
，驅動電壓Vge開始下降
，IGBT由飽和區進入線性區，此時Vce電壓與Ice交叉構成損耗積分，Vce電壓從飽和壓降上升，逐步達到TVS擊穿動作值。

2. t1開始超過TVS擊穿電壓，此時擊穿電流給門極充電，Vge電壓抬升，Vce電壓繼續提升至峰值，集電極電流Ice以斜率k1速度開始下降。

3. t2開始由於擊穿電流的疊加，驅動下降得到延緩，此時集電極電流Ice以斜率K2速度下降，可見此時k2斜率要小於k1，IGBT Vce電壓從峰值電壓下降到鉗位電壓。

4. t3開始回路電流下降為0，此時Vce電壓下降到母線電壓
，TVS恢複關斷狀態
，漏電流下降到微安級別，門極驅動斜率恢複，驅動電壓下降到開啟電壓以下，IGBT徹底關斷。

從上述時序展開分析可以看出，IGBT關(guan)斷(duan)是(shi)從(cong)飽(bao)和(he)導(dao)通(tong)區(qu)切(qie)換(huan)到(dao)截(jie)止(zhi)區(qu)，在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)需(xu)要(yao)跨(kua)越(yue)線(xian)性(xing)區(qu)，有(you)源(yuan)鉗(qian)位(wei)的(de)本(ben)質(zhi)是(shi)增(zeng)加(jia)此(ci)線(xian)性(xing)區(qu)時(shi)間(jian)來(lai)吸(xi)收(shou)回(hui)路(lu)中(zhong)多(duo)餘(yu)的(de)浪(lang)湧(yong)能(neng)量(liang)
，此(ci)較(jiao)高(gao)的(de)能(neng)量(liang)通(tong)過(guo)IGBT來吸收可以減少對外部元件布局與散熱的需求。

IGBT關斷時
，主回路中雜散電感中所存儲的能量都需要有釋放的路徑
，最常見的就是在IGBT CE兩端產生電壓尖峰，在關斷的過程中，這些能量都以關斷損耗的形式耗散在IGBT上。對於電壓敏感型器件，過高的尖峰電壓會損耗IGBT，因此有源鉗位就是將高而窄的電壓脈衝轉變為矮而寬的脈衝，這個過程中耗散掉的能量仍然是雜散電感所存儲的能量。

對於半橋或全橋電路來說
，很多人可能有一個誤解，認為有源鉗位工作時會把IGBT重新打開

，導致兩個半橋IGBT直通的現象。從前麵的時序分析可以看出，有源鉗位在動作時IGBT還處於線性區，隻是線性區有所延緩，另外一個IGBT並不會在此時導通。有源鉗位動作的時間通常不會超過300ns，而IGBT上下管之間的死區時間通常在3us以上
，該時間差足以保證IGBT不會出現直通的現象。

有源鉗位應用案例與改進型方案

假定變頻器應用條件
，選定IFX FF600R12ME7 1200V 600A 半橋IGBT模塊，TVS為Littelfuse SMBJ300CA 峰值功率Pppm為600W 工作電壓Vr 300V，已知條件如下：

●   回路母線電壓最大為600V。

●   回路雜散電感為100nH
，從規格書可以看出IGBT漏感為20nH，因此疊加到IGBT上的總雜散電感為120Nh。

●   IGBT選定外置驅動電阻Rgoff為0.51Ω。

●   IGBT關斷di/dt為7800A/us。

●   TVS 擊穿電壓Vbr 335~371V @it 1mA。

●   TVS鉗位電壓電流為Vc 486V @ Ipp 1.3A。

回路當中如果沒有TVS有源鉗位
，此時IGBT兩端電壓Vce為母線電壓與雜散電感產生電壓Vls疊加。

Vce=Vdc+Ls*di/dt=1536V

可見此電壓超過1200V的耐壓會導致IGBT損壞。

在門級串聯2個SMBJ300CA之後，當IGBT關斷時集電極電壓超過擊穿電壓，TVS即被擊穿，隨著擊穿電壓的提升，其擊穿電流也上升，對於門極關斷的延緩效果就越明顯。

IGBT驅動電流通常為幾個安培，因此這裏選定TVS鉗位電流為2A，通過等效內阻計算，其中擊穿電壓Vbr為335V換算到Vc為567.3V, 當Vbr為371V對應的Vc為547.92V，具體鉗位電壓換算方法可以參考TVS選型計算文檔。兩個TVS串聯後的電壓為1124.6V，小於IGBT本身耐壓1200V
，因此在延緩IGBT關斷的同時可以起到很好的保護作用。

實際電路中有可能會碰到TVS動作保護電壓遠高於TVS鉗位電壓的情況，但是由於尖峰電壓通常為ns級，通過功率脈衝寬度曲線可以看到在1us脈衝下，SMBJ係列脈衝功率可以超過10kw，因此在有源鉗位保護電路中可以選擇功率與尺寸小的TVS，SMBJ係列相對比較常用。

對於工作電壓與鉗位保護電壓要求比較接近的應用
，比如母線電壓還是600V，回路當中采用1000V IGBT
，顯然TVS在達到鉗位電壓1124.6V時會導致IGBT損壞，同時由於TVS工作電壓要高於600V的工作電壓，以免TVS在正常工作情況下擊穿導致其過熱損壞。此時就可以考慮引入改進型有源鉗位電路。

這個電路的特點是
，將TVS的電流通過電阻R1引至驅動IC推動級的前級，相當於給TVS的電流增加了一級增益。這可以減少流過TVS的電流，通過縮窄TVS工作電壓Vr與保護電壓Vc1的(de)幅(fu)值(zhi)，提(ti)高(gao)這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)對(dui)於(yu)尖(jian)峰(feng)電(dian)壓(ya)的(de)保(bao)護(hu)效(xiao)果(guo)。我(wo)們(men)也(ye)知(zhi)道(dao)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)推(tui)挽(wan)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)輸(shu)入(ru)與(yu)輸(shu)出(chu)的(de)時(shi)間(jian)延(yan)遲(chi)與(yu)相(xiang)位(wei)滯(zhi)後(hou)，對(dui)於(yu)浪(lang)湧(yong)能(neng)量(liang)較(jiao)大(da)的(de)情(qing)況(kuang)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)IGBT電壓上升過快而損壞，此時保留電阻R2，當IGBT兩端電壓遠超擊穿電壓時，可以在前級動作前起到延緩IGBT關斷的作用。該改進型的兩級保護可以起到更好的保護效果

，同時也要時刻關注正常工作電壓下TVS的漏電流對於驅動電路的影響，對於TVS的電壓選型更為嚴苛。

來源：Littelfuse

作者：Rambo Liu

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