【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，由于雜散電感Ls的存在，通過Ls*di/dt感應產生浪涌電壓，此感應高電壓與前端母線電容電壓方向一致，因此功率器件兩端疊加的電壓尖峰會超過母線電壓，在過流或短路發生時甚至可能會超過功率器件的耐受電壓而導致損壞。功率器件保護方式有RC吸收回路、軟開關以及飽和壓降檢測限流等，其中RC吸收回路具有以犧牲回路效率為代價，同時可能帶來吸收回路溫度過高的風險。有源鉗位可以直接加在驅動回路里面，通過延緩驅動關斷來吸收浪涌能量，能夠有效減小尖峰電壓起到保護作用，因此有源鉗位方案具有占用面積小、成本低、響應速度快、可靠性高等優點。
半橋電路工作時序
下圖為典型的直流變換器，輸入三相橋式整流，后端半橋，輸出采用全波整流，其中輸入每相增加保險絲作為過流與短路保護，相地間增加壓敏作為防雷擊保護，此雷擊通常指感應雷。
由于直流母排到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，由于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)，同時由于雜散電感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由于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，線路雜散電感分布于整個線路當中，這里等效電感位置移至下方電壓負端便于分析。
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電壓由于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，接下來就重復時序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，限制因為高di/dt引起的電壓尖峰。
（1）有源鉗位電路設計要點是在正常工作條件下盡量不參與動作，從而減少關斷電壓與電流的重疊面積，達到減少損耗提高效率的目的。由于系統雜散電感的存在，IGBT兩端不可避免會承受超過母線的尖刺電壓，正常工況下通過合理布板與母排設計可以減小此寄生電感，同時通過驅動電阻的合理選配達到IGBT兩端電壓在關斷時不超過其耐壓，使其處于安全工作區。
（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串聯于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兩端并聯吸收回路，此回路不僅功率要求大同時占板面積大，有源鉗位通過大功率IGBT本身來消耗此多余的能量，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，此電路里面采用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涌能量。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處于開通狀態，此時電路處于充電狀態，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開始由于擊穿電流的疊加，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斜率要小于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恢復關斷狀態，漏電流下降到微安級別，門極驅動斜率恢復，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關斷是從飽和導通區切換到截止區，在這個過程需要跨越線性區，有源鉗位的本質是增加此線性區時間來吸收回路中多余的浪涌能量，此較高的能量通過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。對于電壓敏感型器件，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沖轉變為矮而寬的脈沖，這個過程中耗散掉的能量仍然是雜散電感所存儲的能量。
對于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。從前面的時序分析可以看出，有源鉗位在動作時IGBT還處于線性區，只是線性區有所延緩，另外一個IGBT并不會在此時導通。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0.51?。
● 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之后，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，對于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，因此這里選定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串聯后的電壓為1124.6V，小于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動作保護電壓遠高于TVS鉗位電壓的情況，但是由于尖峰電壓通常為ns級，通過功率脈沖寬度曲線可以看到在1us脈沖下，SMBJ系列脈沖功率可以超過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系列相對比較常用。
對于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，同時由于TVS工作電壓要高于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，相當于給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的幅值，提高這個電路對于尖峰電壓的保護效果。我們也知道驅動電路推挽電路具有輸入與輸出的時間延遲與相位滯后，對于浪涌能量較大的情況可能會導致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的漏電流對于驅動電路的影響，對于TVS的電壓選型更為嚴苛。
來源：Littelfuse
作者：Rambo Liu
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