兩電平拓撲通常要求短路保護和過壓保護即可。常用的短路保護方法又叫VCEsat或退保護監控;過壓保護一般采用有源鉗位。
對于三電平NPC1拓撲,IGBT在短路時刻的關斷順序非常重要:
1、必須先關外管,再關內管,否則內管IGBT會承受整個母線電壓而損壞;
2、發生短路時,驅動器不應該自動關斷IGBT,而應將故障報告給控制單元,由控制單元來確保正確的關管順序;
3、只有內管IGBT采用有源鉗位的情況下,才能忽略關管順序,并允許驅動器自動關斷IGBT。
而NPC2拓撲則沒有關管順序的要求。
NPC1和NPC2拓撲的共同特點是,在正常工作期間,相輸出端U的電壓相對于中性點N在+1/2DC和-1/2DC之間交變,即極性發生變化。這一特點對于在NPC2拓撲中N點和U點之間的IGBT形成雙向開關特別有意義。
下圖所示為當外部開關(此處未顯示)分別導通和關斷時內管IGBT獲得的電壓。圖a中IGBT的集電極-發射極電壓始終為正電壓或零(理想化),因此,對于短路和過壓保護,無特殊要求;但是,如果用RB-IGBT作雙向開關,情況則不同,U點存在的交變電壓要求修改經典的短路保護和過壓保護電路。否則,驅動器將會損壞,并最終損壞IGBT。
IGBT驅動器的考慮因素——過壓保護功能:
IGBT的過壓保護通常使用有源鉗位電路。(對于小功率應用,也可使用“兩電平關斷”或“軟關斷”之類的替代方案)。有源鉗位能夠可靠地抑制過壓,其可驅動IGBT進入線性區從而降低di/dt。
圖a為標準IGBT的有源鉗位設置。TVS(D2…Dx)根據實際應用條件(例如,直流母線電壓、IGBT的VCES等級)進行選擇;二極管D1是避免電流從IGBT的門極流入集電極的必需元件,僅要求40V的阻斷能力即可。
如果選擇圖b所示的帶RB-IGBT的NPC2拓撲,則不能使用帶單向TVS和低壓二極管的典型有源鉗位電路。因為RB-IGBT兩側的電壓將會根據開關狀態改變極性。
只要相應IGBT集電極的極性為正,對應驅動器的TVS就可以阻斷來自該驅動器的電壓;但是,集電極的電壓極性反轉后,TVS就開始導通,整個集電極電位將會施加在低壓二極管D1的陽極。此電壓大約等于直流母線電壓的一半,將導致IGBT驅動器及相關IGBT損壞。
解決方案1:如圖c所示,全部使用雙向TVS。
缺點:負電壓“Max(C2)”有可能達到相當于雙向TVS擊穿電壓的水平。這仍然會使二極管D1承受過高的反向電壓。
因此不推薦這種方法,而推薦使用方案2。
解決方案2:將低壓二極管D1替換成高壓二極管。該高壓二極管的阻斷電壓必須至少達到直流母線電壓的一半。
請注意: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,可能需要使用多個二極管串聯。
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原文標題:IGBT驅動器的考慮因素
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