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          用于保護VFD/IGBT逆變器的TVS二極管

          作者:力特 時間:2018-02-06 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          力特供稿

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201802/375454.htm

            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鍵組件,因此其性能和可靠性對于不間斷電源是至關重要的。本操作說明書重點介紹在惡劣條件下也能確保VFD可靠性和正常工作的二極管。

            圖1 帶有保護組件的典型三相變頻器/逆變器拓撲結構

            圖1中,橙色方框突出顯示用于過流或短路保護的交流線路熔斷器。欲了解如何選擇熔斷器的詳細信息,請參閱“Littelfuse熔斷器選擇指南”。藍色方框標識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額定值將取決于預期的浪涌電流水平和交流電路拓撲結構。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V20E250P(250V)UltraMOV?高浪涌電流徑向引線式壓敏電阻進行線對線(差模)保護,單個V20E550P(550V)UltraMOV高浪涌電流徑向引線式壓敏電阻可用于線對地(共模)保護。三個MOV以星形連接并與另一個對地MOV分開將增強線到線和線對地保護。

            選擇MOV時,鉗位電壓也必須加以考慮。對于這種情況,當兩個串聯(lián)的V20E250P壓敏電阻提供差動保護時,其合成鉗位電壓約為1400V。對于整流二極管、電容器和(絕緣柵雙極晶體管),額定電壓應大于這個值,以便為整個系統(tǒng)提供足夠的電壓保護。

            有時,為整個系統(tǒng)提供電壓保護可能是非常困難的,特別是對于600V或更高的高電力線電壓應用。對于這些情況,Littelfuse提出了額外的(或次級)高功率二極管提供準確的低電壓鉗位能力,為整流二極管、電容器和提供差模保護。

            圖2 帶有二極管的380V三相變頻器 /逆變器拓撲結構

            如圖2中的粉紅色方框所示,可以添加兩個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。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AK3-380C TVS二極管的最大鉗位電壓是1040V,遠遠低于MOV的最大鉗位電壓。因此,它們可以為6單元提供極好的浪涌保護,同時保持電路處于正常工作狀態(tài)。這些TVS二極管為設計人員選擇整流二極管和IGBT提供了更大靈活性。

            現(xiàn)在,我們再重新看看圖1。紅色方框突出了交直流整流二極管。綠色方框標識直流母線過壓的制動斬波器電路(請查閱IGBT制造商的操作說明書,以根據(jù)相關指南選擇這些器件的合適型號)。紫色方框顯示用于負載供電的IGBT橋式交直流逆變器。

            1 IGBT保護

            IGBT兼具功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點。它在高頻率工作,驅(qū)動和斷開都非常簡便;然而,它也有一個缺點。通常情況下,兩個部分均需要進行保護以實現(xiàn)穩(wěn)健的設計:

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

            ? 在高功率/大電流應用中,器件斷開時,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,當通過脈沖開關信號驅(qū)動IGBT的柵極時,會產(chǎn)生很高的過壓,從而損壞IGBT的柵極。為了在過壓事件中保護柵極,通常會使用一個雙向600W TVS二極管,如圖3所示。例如,在一個通常需要+ 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IGBT由單極驅(qū)動器驅(qū)動時,應使用單向TVS SMBJ16A TVS二極管。

            圖3 IGBT柵極保護

            有源鉗位是一種可在IGBT關斷時使瞬態(tài)過壓保持低于臨界極限的技術。如圖4所示,有源鉗位的標準方法是使用連接在輔助集電極和IGBT柵極之間的TVS二極管。當集電極 - 發(fā)射極電壓超過TVS二極管擊穿電壓時,TVS二極管開始導通,這個電流加起來即為IGBT驅(qū)動器輸出電流的值并導致柵極 - 發(fā)射極電壓增加。因此,IGBT仍處于有源模式,關斷過程延長。增加有源鉗位TVS二極管,會減慢IGBT集電極電流的變化率,從而限制電壓過沖并降低IGBT關斷過壓ΔVCE。因此,TVS二極管串聯(lián)鉗位過沖電壓特別適用于VCE超過1200V的高壓IGBT。

            多年來有源鉗位已廣泛使用于在關斷事件期間限制IGBT的集電極 - 發(fā)射極電壓。當IGBT的集電極 - 發(fā)射極電壓超過預先設定的閾值時,IGBT部分導通。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)射極過壓(參見圖5中實線,較小斜率的IC、較長的VGE和VCE的鉗位值) 。

            但是,如果在關斷期間沒有實施在IGBT集電極的TVS二極管對柵極關斷,則VGE的關斷將導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,設計師如何才能計算出提供這種浪涌保護所需的TVS二極管的數(shù)量呢? 以下示例可能對您有所幫助。


            圖5 浪涌電壓比較

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

            圖6 浪涌電壓波形

            正常情況下,對于1200V的IGBT保護電壓,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。不妨假設這個1300V的浪涌電壓在TVS二極管中會產(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粗略地估計浪涌脈沖功率水平:

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

            就這個例子而言,可以使用SMCJ TVS二極管,因為它具有RΘJA75°C/W的熱阻抗,所以如果該電機在50°C的環(huán)境最大值下工作,那么每個SMCJ容許的最大功率是(150-50)/75=1.33W。

            所需TVS二極管數(shù)量將通過計算4.5 / 1.33 = 3.38pcs來確定,所以至少應有四個TVS二極管進行串聯(lián)以獲得足夠的余量。每個TVS VBR應該共享900/4 = 225V。結果,在這種情況下建議使用四個1.5SMC220A TVS二極管。注意,TVS系列的選擇也是基于R和RGE的實際值。實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)。



          關鍵詞: TVS IGBT

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