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圖4a所示為標(biāo)準(zhǔn)IGBT T1的有源鉗位設(shè)置。TVS(D2…x)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件(例如，直流母線(xiàn)電壓、IGBT的VCES等級(jí))進(jìn)行選擇，并通過(guò)低壓肖特基二極管或PIN二極管(D1)從集電極連接到門(mén)極。此低壓二極管是避免電流從IGBT的門(mén)極流入集電極的必需元件，僅要求40V的阻斷能力即可。但是，如果選擇帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)洌瑒t不能使用帶單向TVS和低壓二極管的典型有源鉗位電路。這是因?yàn)镽B-IGBT兩側(cè)的電壓將會(huì)根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變極性(圖4b)。只要相應(yīng)IGBT集電極的極性為正， 對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的TVS就可以阻斷來(lái)自該驅(qū)動(dòng)器的電壓。但是， 集電極的電壓極性反轉(zhuǎn)后，TVS二極管就開(kāi)始導(dǎo)通，整個(gè)集電極電位將會(huì)施加在低壓二極管D1的陽(yáng)極。此電壓大約等于直流母線(xiàn)電壓的一半，將導(dǎo)致IGBT驅(qū)動(dòng)器及相關(guān)IGBT損壞。

有兩種可選的預(yù)防措施。在***種解決方案中，必須使用雙向而非單向TVS，如圖4c所示。但是，從圖3中可以看到它的缺點(diǎn)是負(fù)電壓“ax(C2)”有可能達(dá)到相當(dāng)于雙向TVS擊穿電壓的水平。這仍然會(huì)使二極管D1承受過(guò)高的反向電壓。因此，不推薦使用這種方法。推薦使用第二種解決方案，將低壓二極管D1替換為高壓二極管。該高壓二極管的阻斷電壓必須至少達(dá)到直流母線(xiàn)電壓的一半。請(qǐng)注意，除了阻斷電壓，還必須考慮二極管的爬電距離和電氣間隙。在有些情況下，可能需要使用多個(gè)二極管串聯(lián)。

2.1.1 ***有源鉗位功能

為了提高有源鉗位電路的效率， CONCEPT在其多個(gè)驅(qū)動(dòng)器中裝備了被稱(chēng)為***有源鉗位

(AAC)的功能。AAC在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的輸出級(jí)中使用附加的反饋電路。根據(jù)實(shí)際的鉗位電流/過(guò)壓狀況，內(nèi)部的推動(dòng)級(jí)mosFET將被線(xiàn)性地關(guān)斷[4]。

a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b) RB-IGBT的***有源鉗位電路

圖5 a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b) RB-IGBT的***有源鉗位電路

如果使用帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，則需要修改常規(guī)的AAC設(shè)計(jì)。圖5 a 所示為包含D1和D3(低壓二極管)的標(biāo)準(zhǔn)IGBT常用的AAC。由于僅使用一個(gè)雙向TVS(Dx)，當(dāng)–C/2施加于端子U時(shí)，A點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生***的高壓。這會(huì)導(dǎo)致二極管D1和D3以及20R電阻過(guò)載，***終導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)器過(guò)載。為了防止出現(xiàn)這種高壓，建議將所有單向TVS全都替換為雙向TVS。此外，這些TVS還需要再串聯(lián)一個(gè)單向TVS D4(圖5b)。TVS網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱(chēng)擊穿電壓可確保當(dāng)相輸出端U出現(xiàn)負(fù)電壓(-DC/2)時(shí)，A點(diǎn)產(chǎn)生的電壓處在安全范圍內(nèi)(假定根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件選擇TVS)，而當(dāng)U為正電壓(+DC/2)時(shí)，有源鉗位可以正常工作。

2.2 短路保護(hù)功能

為了在短路事件中保護(hù)任何拓?fù)涞腎GBT，需要可靠的退飽和監(jiān)控功能。圖6 所示為經(jīng)典的退飽和監(jiān)控方案，該方案中使用高壓二極管。這種設(shè)置通常用于檢測(cè)短路。更***的解決方案是將高壓二極管替換為電阻網(wǎng)絡(luò)(圖7a 中的Rvce)，該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠在IGBT 導(dǎo)通狀態(tài)下測(cè)量VCE 電壓。這種解決方案可避免短路保護(hù)誤動(dòng)作[1]。兩種方案均可用于兩電平和三電平NPC1/NPC2 拓?fù)洹?/p>

但是，如果選擇了帶RB-IGBT 的NPC2 拓?fù)?，利用高壓二極管的退飽和監(jiān)控將不再起作用。與過(guò)壓保護(hù)功能中解釋的原因相同，只要對(duì)應(yīng)的集電極電壓為正電位(相對(duì)于發(fā)射極)，且對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器的高壓二極管可阻斷集電極和驅(qū)動(dòng)器低壓側(cè)的檢測(cè)輸入端之間的電壓，這種方法就起作用。但是只要極性變?yōu)樨?fù)電位，二極管就開(kāi)始導(dǎo)通，過(guò)高的電流將流過(guò)二極管，這將會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器和/或IGBT。

在使用電阻網(wǎng)絡(luò)的短路保護(hù)功能中，電阻Rvce 可降低集電極電壓并限制從集電極流向驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)輸入端的電流。本文的下一部分將簡(jiǎn)要介紹這種電路的原理。[5]

使用高壓二極管的退飽和監(jiān)控功能

圖6 使用高壓二極管的退飽和監(jiān)控功能

2.2.1 使用電阻網(wǎng)絡(luò)的短路保護(hù)功能

下面的說(shuō)明請(qǐng)參照?qǐng)D 7。在IGBT 關(guān)斷狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的MOSFET 將檢測(cè)管腳連接到

COM(門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電位)。然后，電容Cax 預(yù)充電/放電至負(fù)電源電壓。如果沒(méi)有二極管D1，K 點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生電壓VK，該電壓可按公式 1 進(jìn)行計(jì)算。

公式 1：

D1 的功能是將電壓VK 鉗位在正電源電壓VCC，以防止門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的檢測(cè)輸入端受到高壓損壞。流經(jīng)K 點(diǎn)的***大電流可按下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

公式 2：

為了限制電阻網(wǎng)絡(luò)和二極管 D1 中的損耗，建議在***大直流母線(xiàn)電壓條件下將電流調(diào)整為

0.6…mA。流經(jīng) F 點(diǎn)的電流可按公式 3 進(jìn)行計(jì)算。此電流將在IGBT 導(dǎo)通時(shí)為Cax 充電。Cax 充電所需的時(shí)間決定了短路保護(hù)功能的響應(yīng)動(dòng)間。

公式 3：

在 IGBT 打開(kāi)且處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，上述MOSFET 關(guān)斷。隨著VCE 降低，Cax 從COM 電位充電至IGBT 飽和電壓。Cax 上的電壓始終與由Rref 決定的參考電壓進(jìn)行比較。發(fā)生短路時(shí)，電容Cax 的電壓隨著IGBT 退飽和而升高。當(dāng)Cax 的電壓高于參考電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器即將此視為故障狀況。圖7b 描述了短路保護(hù)的過(guò)程。