用于保護(hù)VFD/IGBT逆變器的TVS二極管

力特供稿

　　在幾乎所有的工業(yè)控制系統(tǒng)中，變頻器(VFD)/逆變器通常安裝在電機(jī)的前端，以便調(diào)節(jié)速度和節(jié)約能源。根據(jù)不同的輸入電壓要求，逆變器通常分為低壓(110V、220V、380V等)、中壓(690V、1140V、2300V等)和高壓(3kV、3.3kV、6kV、6.6kV、10kV等)。

　　由于變頻器/逆變器是提供電力的關(guān)鍵組件，因此其性能和可靠性對(duì)于不間斷電源是至關(guān)重要的。本操作說(shuō)明書重點(diǎn)介紹在惡劣條件下也能確保VFD可靠性和正常工作的TVS二極管。

　　圖1 帶有保護(hù)組件的典型三相變頻器/逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　圖1中，橙色方框突出顯示用于過(guò)流或短路保護(hù)的交流線路熔斷器。欲了解如何選擇熔斷器的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱“Littelfuse熔斷器選擇指南”。藍(lán)色方框標(biāo)識(shí)了用于防止由于雷擊或電源諧波電壓中斷的瞬態(tài)抑制器。金屬氧化物壓敏電阻(MOV)因其鉗位特性和高功率容量而被廣泛使用。所需的MOV額定值將取決于預(yù)期的浪涌電流水平和交流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，如圖1所示，如果連接交流380V電源，為了滿足3kA(8 /20μs處)的雷擊浪涌要求，可采用三個(gè)V20E250P(250V)UltraMOV?高浪涌電流徑向引線式壓敏電阻進(jìn)行線對(duì)線(差模)保護(hù)，單個(gè)V20E550P(550V)UltraMOV高浪涌電流徑向引線式壓敏電阻可用于線對(duì)地(共模)保護(hù)。三個(gè)MOV以星形連接并與另一個(gè)對(duì)地MOV分開將增強(qiáng)線到線和線對(duì)地保護(hù)。

　　選擇MOV時(shí)，鉗位電壓也必須加以考慮。對(duì)于這種情況，當(dāng)兩個(gè)串聯(lián)的V20E250P壓敏電阻提供差動(dòng)保護(hù)時(shí)，其合成鉗位電壓約為1400V。對(duì)于整流二極管、電容器和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，額定電壓應(yīng)大于這個(gè)值，以便為整個(gè)系統(tǒng)提供足夠的電壓保護(hù)。

　　有時(shí)，為整個(gè)系統(tǒng)提供電壓保護(hù)可能是非常困難的，特別是對(duì)于600V或更高的高電力線電壓應(yīng)用。對(duì)于這些情況，Littelfuse提出了額外的(或次級(jí))高功率TVS二極管提供準(zhǔn)確的低電壓鉗位能力，為整流二極管、電容器和IGBT提供差模保護(hù)。

　　圖2 帶有TVS二極管的380V三相變頻器 /逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　如圖2中的粉紅色方框所示，可以添加兩個(gè)AK3-380C TVS二極管，以在最大3kA(8 /20μs處)浪涌電流期間提供差模保護(hù)。AK3-380是一款額定電壓為3kA(8 /20μs處)的雙向高功率TVS二極管，斷態(tài)電壓為380V。兩個(gè)AK3-380C TVS二極管的最大鉗位電壓是1040V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MOV的最大鉗位電壓。因此，它們可以為6單元IGBT提供極好的浪涌保護(hù)，同時(shí)保持電路處于正常工作狀態(tài)。這些TVS二極管為設(shè)計(jì)人員選擇整流二極管和IGBT提供了更大靈活性。

　　現(xiàn)在，我們?cè)僦匦驴纯磮D1。紅色方框突出了交直流整流二極管。綠色方框標(biāo)識(shí)直流母線過(guò)壓的制動(dòng)斬波器電路(請(qǐng)查閱IGBT制造商的操作說(shuō)明書，以根據(jù)相關(guān)指南選擇這些器件的合適型號(hào))。紫色方框顯示用于負(fù)載供電的IGBT橋式交直流逆變器。

　　1 IGBT保護(hù)

　　IGBT兼具功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)。它在高頻率工作，驅(qū)動(dòng)和斷開都非常簡(jiǎn)便;然而，它也有一個(gè)缺點(diǎn)。通常情況下，兩個(gè)部分均需要進(jìn)行保護(hù)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計(jì)：

　　? 由于柵極是MOS結(jié)構(gòu)，所以很容易被靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)或密勒效應(yīng)引起的過(guò)電壓損壞。

　　? 在高功率/大電流應(yīng)用中，器件斷開時(shí)，IGBT端子C和端子E可能發(fā)生高壓浪涌。

　　由于密勒電容((CGC)的存在，當(dāng)通過(guò)脈沖開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT的柵極時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)壓，從而損壞IGBT的柵極。為了在過(guò)壓事件中保護(hù)柵極，通常會(huì)使用一個(gè)雙向600W TVS二極管，如圖3所示。例如，在一個(gè)通常需要+ 15V偏壓才能開啟器件以及需要-15V偏壓才能將其斷開的應(yīng)用中，可使用SMBJ16CA瞬態(tài)抑制二極管，有助于確保電壓保持低于±20V的最大VGE。SMBJ16CA TVS二極管的VBR約為17.8?19.7V，低于20V的最大值。在某些情況下，當(dāng)IGBT由單極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)使用單向TVS SMBJ16A TVS二極管。

　　圖3 IGBT柵極保護(hù)

　　有源鉗位是一種可在IGBT關(guān)斷時(shí)使瞬態(tài)過(guò)壓保持低于臨界極限的技術(shù)。如圖4所示，有源鉗位的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用連接在輔助集電極和IGBT柵極之間的TVS二極管。當(dāng)集電極 - 發(fā)射極電壓超過(guò)TVS二極管擊穿電壓時(shí)，TVS二極管開始導(dǎo)通，這個(gè)電流加起來(lái)即為IGBT驅(qū)動(dòng)器輸出電流的值并導(dǎo)致柵極 - 發(fā)射極電壓增加。因此，IGBT仍處于有源模式，關(guān)斷過(guò)程延長(zhǎng)。增加有源鉗位TVS二極管，會(huì)減慢IGBT集電極電流的變化率，從而限制電壓過(guò)沖并降低IGBT關(guān)斷過(guò)壓ΔVCE。因此，TVS二極管串聯(lián)鉗位過(guò)沖電壓特別適用于VCE超過(guò)1200V的高壓IGBT。

　　多年來(lái)有源鉗位已廣泛使用于在關(guān)斷事件期間限制IGBT的集電極 - 發(fā)射極電壓。當(dāng)IGBT的集電極 - 發(fā)射極電壓超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，IGBT部分導(dǎo)通。然后，IGBT在線性工作中保持，從而減小集電極電流的下降速率，由此降低集電極 - 發(fā)射極過(guò)壓(參見圖5中實(shí)線，較小斜率的IC、較長(zhǎng)的VGE和VCE的鉗位值) 。

　　但是，如果在關(guān)斷期間沒有實(shí)施在IGBT集電極的TVS二極管對(duì)柵極關(guān)斷，則VGE的關(guān)斷將導(dǎo)致集電極和柵極兩端的電壓突然升到太高的水平，這種情況會(huì)造成IGBT故障(見圖5中的虛線)。

　　圖4 有源鉗位功能

　　如圖5所示，隨著添加有源鉗位電路后，VGE浪涌電壓下降。但是，設(shè)計(jì)師如何才能計(jì)算出提供這種浪涌保護(hù)所需的TVS二極管的數(shù)量呢? 以下示例可能對(duì)您有所幫助。

　　圖5 浪涌電壓比較

　　如圖6所示，IGBT的1300V浪涌電壓有0.5μs的浪涌時(shí)間和0.5ms的間隔時(shí)間。

　　圖6 浪涌電壓波形

　　正常情況下，對(duì)于1200V的IGBT保護(hù)電壓，直流工作電壓小于600V，所以選用800V(VBR?900V)的TVS二極管組合是可以接受的。不妨假設(shè)這個(gè)1300V的浪涌電壓在TVS二極管中會(huì)產(chǎn)生5A的浪涌電流 (產(chǎn)生的電流水平還取決于RGE和R的值)。

　　下面的公式可以用來(lái)粗略地估計(jì)浪涌脈沖功率水平：

　　平均 PD=VBR×IPP×tP/T=900×5×0.5/500=4.5W

　　就這個(gè)例子而言，可以使用SMCJ TVS二極管，因?yàn)樗哂蠷ΘJA75°C/W的熱阻抗，所以如果該電機(jī)在50°C的環(huán)境最大值下工作，那么每個(gè)SMCJ容許的最大功率是(150-50)/75=1.33W。

　　所需TVS二極管數(shù)量將通過(guò)計(jì)算4.5 / 1.33 = 3.38pcs來(lái)確定，所以至少應(yīng)有四個(gè)TVS二極管進(jìn)行串聯(lián)以獲得足夠的余量。每個(gè)TVS VBR應(yīng)該共享900/4 = 225V。結(jié)果，在這種情況下建議使用四個(gè)1.5SMC220A TVS二極管。注意，TVS系列的選擇也是基于R和RGE的實(shí)際值。實(shí)際工作條件下也可使用較低額定值的瞬態(tài)抑制二極管(如SMAJ或SMBJ等)。