高压TVS二极管P6SMB600CA在IGBT浪涌保护中的应用

绝缘栅双极晶体管（IGBT）广泛用于功率逆变器，工业驱动器，电动汽车家用电器的充电器， 电机控制和感应加热，因为它们易于使用且性能高电压和电流驱动能力。如今，功率半导体制造商正在提供 IGBT 模块具有更高的功率密度。功率密度极限由最大功率损耗决定，消散优化标准是封装技术以及传导和开关损耗半导体芯片。模块的高电流密度以及高开关速度， 在正常开关操作和过载条件下，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如何实现现代的大功率 IGBT 具有很高的可靠性， 特别是在高速铁路和汽车牵引应用中。

IGBT 模块关闭瞬间高压分析

IGBT 模块和转换器电路的寄生电感无法完全消除。其对系统行为的影响也不容忽视。

图1 IGBT开关图

图2 IGBT开关电压电流曲线

图 1 说明了包含在其中的寄生电感换向电路。关断 IGBT 引起的电流变化在其 IGBT 处产生过冲电压集电极端子，如图 2 所示。原则上，IGBT 的换向速度（以及关断过电压）会受到关断栅极电阻Rg（off）。该技术尤其用于较低的功率水平。但是，Rg（关闭）然后必须匹配过载条件，例如双倍额定电流的关断，短路和暂时增加的链接电路电压。在正常操作中，这会导致开关损耗增加，并且关闭延迟，从而降低了模块的可用性或效率。结果，这种简单的技术是不适合用于现代大功率模块。

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器电路的发展，这些电路以可逆的栅极电阻工作。在正常操作中，低欧姆栅极电阻用于关闭 IGBT，以最大程度地降低开关损耗；高欧姆的当检测到短路或浪涌电流时使用“ A”）。但是，问题出在可靠地满足以下条件：去饱和监控始终会延迟一段时间，直到检测到故障为止（通常为 4-10μs）称为响应时间。当 IGBT 以比响应时间短的脉冲驱动时如果发生短路，则不会检测到故障，并且驱动器会过快地关闭。产生的过电压破坏 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，关断双倍额定电流时，很可能会发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级别使用它们电力设备以及期望高可靠性的系统中。

带高压TVS 钳位的电路分析

反馈支路由一个钳位元件组成，该钳位元件通常由一系列瞬态电压组成抑制（TVS）二极管。如果集电极-发射极之间的电压超过击穿电压的大约钳位元件，电流通过反馈流到 IGBT 的栅极，从而提高其电势，因此集电极电流的变化率减小，从而产生稳定的状态。 IGBT 两端的电压为然后由夹紧元件的设计决定。 IGBT 在其输出的有效范围内运行并将杂散电感中存储的能量转换为 IGBT 热。夹紧过程继续直到杂散电感被消磁。这里涉及的基本关系典型曲线的基础如图 3 的下部所示。

单个高压 TVS 二极管，或几个串联的低压 TVS 二极管，产生的高电平电压，可用于基于直流电源线电压或 IGBT Vce 电压提供有源钳位。从图4可以看出明显的保护效果。

保护器件TVS 一般选用leiditech P6SMB600CA或SMCJ600CA，根据动作电压需求可以调整型号。

图3 IGBT开关图(with TVS)

图4 IGBT开关电压电流曲线（with TVS）

LEIDITECH P6SMB600CA

总结

电子产品的接口防护需用过压保护器件，很多工程师意识到要用保护器件，但由于选型不当或没按照 ESD 电路 PCB 设计原则，造成产品静电测试或 EMC 测试不通过，产品多次验证测试，浪费人力财力，造成产品延迟上市的事情总有发生，或过度设计，造成成本压力。

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