IGBT有源钳位技术的介绍

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是功率电子领域中的一种重要的半导体器件，它结合了MOSFET的电压控制能力和双极型晶体管的大电流处理能力。IGBT的正常工作对于许多电力转换应用如逆变器、变频器及开关电源等至关重要。然而，在IGBT的关断过程中，由于电路中电感元件的存在，会产生电压尖峰，对IGBT的安全运行造成威胁。为了解决这一问题，IGBT有源钳位技术应运而生。 有源钳位技术的核心目标是限制IGBT集电极的电位，防止其在关断瞬间上升到过高的水平，从而避免电压尖峰对IGBT造成的损坏。有源钳位电路在IGBT过载或桥臂短路等异常工作状态下才会启动，以保护IGBT，而平时不工作。 最简单的有源钳位电路由TVS管（瞬态抑制二极管）和快速恢复二极管组成，通过TVS的击穿，将多余的电压能量消耗掉，避免IGBT承受过高的电压。在有源钳位电路中，TVS击穿后会形成一个电流路径，将电流引入IGBT的门极，门极电压的上升会使得IGBT更容易进入关断状态，平滑降低电流，减小集电极电压的尖峰。 有源钳位电路的控制环路可以用自动控制理论进行分析和建模。在控制理论中，反馈是核心概念之一，它涉及到将物理量的一部分回传至前一个环节以调整该物理量的过程。在有源钳位中，负反馈环路的作用就是对集电极电位进行压制，使之不会超过某个预设值。 数学模型分析表明，有源钳位电路可以通过控制环路的前向传递函数P和反馈传递函数G来进行描述。Vz代表环路给定值，即TVS管的击穿电压；Vc是被控对象，也就是IGBT的集电极电位。前向传递函数P代表IGBT门极对集电极的影响能力，而反馈传递函数G则代表集电极信号传递到门极的路径行为。电路的带宽，即控制环路的响应速度，对于控制集电极电位至关重要。如果带宽不足，将无法有效控制集电极电位，导致电压钳不住，甚至发生严重的超调现象。 影响有源钳位电路带宽的因素主要有两个：一个是IGBT门极对集电极的影响能力，这个环节由IGBT芯片决定；另一个是TVS回路的性能，TVS的选择和布局对电路性能有显著影响。TVS的快速反应特性以及TVS与IGBT模块之间的连接路径必须尽可能短，以避免路径延迟对电路性能的负面影响。 总结起来，IGBT有源钳位技术的要点包括： 1. 通过负反馈环路的建立，防止IGBT集电极电位过高。 2. 有源钳位电路在故障状态下或IGBT处于临界工作状态时动作。 3. 理解有源钳位电路可以通过自动控制理论进行数学建模。 4. 电路带宽必须足够高，以快速响应集电极电位的变化。 5. 选择合适的TVS器件，并优化其与IGBT模块的连接路径，是实现高效有源钳位的关键。 有源钳位技术对于提高IGBT的可靠性和延长其使用寿命具有重要意义，是电力电子系统设计中不可忽视的技术手段。