絕緣柵雙極晶體管（IGBT）廣泛用于功率逆變器，工業(yè)驅(qū)動器，電動汽車家用電器的充電器， 電機(jī)控制和感應(yīng)加熱，因為它們易于使用且性能高電壓和電流驅(qū)動能力。如今，功率半導(dǎo)體制造商正在提供 IGBT 模塊具有更高的功率密度。功率密度極限由最大功率損耗決定，消散優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)是封裝技術(shù)以及傳導(dǎo)和開關(guān)損耗半導(dǎo)體芯片。模塊的高電流密度以及高開關(guān)速度， 在正常開關(guān)操作和過載條件下，對驅(qū)動電路提出了更高的要求。

有源鉗位開關(guān)技術(shù)提供的解決方案說明了如何實現(xiàn)現(xiàn)代的大功率 IGBT 具有很高的可靠性， 特別是在高速鐵路和汽車牽引應(yīng)用中。

IGBT 模塊關(guān)閉瞬間高壓分析

IGBT 模塊和轉(zhuǎn)換器電路的寄生電感無法完全消除。其對系統(tǒng)行為的影響也不容忽視。

圖1 IGBT開關(guān)圖

圖2 IGBT開關(guān)電壓電流曲線

圖 1 說明了包含在其中的寄生電感換向電路。關(guān)斷 IGBT 引起的電流變化在其 IGBT 處產(chǎn)生過沖電壓集電極端子，如圖 2 所示。原則上，IGBT 的換向速度（以及關(guān)斷過電壓）會受到關(guān)斷柵極電阻Rg（off）。該技術(shù)尤其用于較低的功率水平。但是，Rg（關(guān)閉）然后必須匹配過載條件，例如雙倍額定電流的關(guān)斷，短路和暫時增加的鏈接電路電壓。在正常操作中，這會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，并且關(guān)閉延遲，從而降低了模塊的可用性或效率。結(jié)果，這種簡單的技術(shù)是不適合用于現(xiàn)代大功率模塊。

上一段中描述的問題導(dǎo)致了兩級關(guān)斷，軟關(guān)斷和慢關(guān)斷驅(qū)動器電路的發(fā)展，這些電路以可逆的柵極電阻工作。在正常操作中，低歐姆柵極電阻用于關(guān)閉 IGBT，以最大程度地降低開關(guān)損耗；高歐姆的當(dāng)檢測到短路或浪涌電流時使用“ A”）。但是，問題出在可靠地滿足以下條件：去飽和監(jiān)控始終會延遲一段時間，直到檢測到故障為止（通常為 4-10μs）稱為響應(yīng)時間。當(dāng) IGBT 以比響應(yīng)時間短的脈沖驅(qū)動時如果發(fā)生短路，則不會檢測到故障，并且驅(qū)動器會過快地關(guān)閉。產(chǎn)生的過電壓破壞 IGBT。此外，極限情況的覆蓋范圍（在過電流/非過電流之間）會帶來問題；例如，關(guān)斷雙倍額定電流時，很可能會發(fā)生比短路關(guān)斷時更高的過電壓。這些類型的驅(qū)動器電路必須被認(rèn)為是危險的。建議用戶不要在更高級別使用它們電力設(shè)備以及期望高可靠性的系統(tǒng)中。

帶高壓TVS 鉗位的電路分析

反饋支路由一個鉗位元件組成，該鉗位元件通常由一系列瞬態(tài)電壓組成抑制（TVS）二極管。如果集電極-發(fā)射極之間的電壓超過擊穿電壓的大約鉗位元件，電流通過反饋流到 IGBT 的柵極，從而提高其電勢，因此集電極電流的變化率減小，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的狀態(tài)。 IGBT 兩端的電壓為然后由夾緊元件的設(shè)計決定。 IGBT 在其輸出的有效范圍內(nèi)運(yùn)行并將雜散電感中存儲的能量轉(zhuǎn)換為 IGBT 熱。夾緊過程繼續(xù)直到雜散電感被消磁。這里涉及的基本關(guān)系典型曲線的基礎(chǔ)如圖 3 的下部所示。

單個高壓 TVS 二極管，或幾個串聯(lián)的低壓 TVS 二極管，產(chǎn)生的高電平電壓，可用于基于直流電源線電壓或 IGBT Vce 電壓提供有源鉗位。從圖4可以看出明顯的保護(hù)效果。

保護(hù)器件TVS 一般選用leiditech P6SMB600CA或SMCJ600CA，根據(jù)動作電壓需求可以調(diào)整型號。

圖3 IGBT開關(guān)圖(with TVS)

圖4 IGBT開關(guān)電壓電流曲線（with TVS）

LEIDITECH P6SMB600CA

總結(jié)

電子產(chǎn)品的接口防護(hù)需用過壓保護(hù)器件，很多工程師意識到要用保護(hù)器件，但由于選型不當(dāng)或沒按照 ESD 電路 PCB 設(shè)計原則，造成產(chǎn)品靜電測試或 EMC 測試不通過，產(chǎn)品多次驗證測試，浪費(fèi)人力財力，造成產(chǎn)品延遲上市的事情總有發(fā)生，或過度設(shè)計，造成成本壓力。

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