用于保護VFD/IGBT逆變器的TVS二極管

力特供稿

　　在幾乎所有的工業(yè)控制系統中，變頻器(VFD)/逆變器通常安裝在電機的前端，以便調節速度和節約能源。根據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于不間斷電源是至關(guān)重要的。本操作說(shuō)明書(shū)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(guò)流或短路保護的交流線(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)式壓敏電阻進(jìn)行線(xiàn)對線(xiàn)(差模)保護，單個(gè)V20E550P(550V)UltraMOV高浪涌電流徑向引線(xiàn)式壓敏電阻可用于線(xiàn)對地(共模)保護。三個(gè)MOV以星形連接并與另一個(gè)對地MOV分開(kāi)將增強線(xiàn)到線(xiàn)和線(xiàn)對地保護。

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

　　有時(shí)，為整個(gè)系統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(xiàn)電壓應用。對于這些情況，Littelfuse提出了額外的(或次級)高功率TVS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IGBT提供差模保護。

　　圖2 帶有TVS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(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。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，遠遠低于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，同時(shí)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(xiàn)過(guò)壓的制動(dòng)斬波器電路(請查閱IGBT制造商的操作說(shuō)明書(shū)，以根據相關(guān)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(diǎn)。它在高頻率工作，驅動(dòng)和斷開(kāi)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)行保護以實(shí)現穩健的設計：

　　? 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(guò)電壓損壞。

　　? 在高功率/大電流應用中，器件斷開(kāi)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，當通過(guò)脈沖開(kāi)關(guān)信號驅動(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(kāi)啟器件以及需要-15V偏壓才能將其斷開(kāi)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由單極驅動(dòng)器驅動(dòng)時(shí)，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(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(guò)TVS二極管擊穿電壓時(shí)，TVS二極管開(kāi)始導通，這個(gè)電流加起來(lái)即為IGBT驅動(dòng)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(guān)斷過(guò)程延長(cháng)。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IGBT的集電極 - 發(fā)射極電壓超過(guò)預先設定的閾值時(shí)，IGBT部分導通。然后，IGBT在線(xiàn)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(jiàn)圖5中實(shí)線(xiàn)，較小斜率的IC、較長(cháng)的VGE和VCE的鉗位值) 。

　　但是，如果在關(guān)斷期間沒(méi)有實(shí)施在IGBT集電極的TVS二極管對柵極關(guān)斷，則VGE的關(guān)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(huì )造成IGBT故障(見(jiàn)圖5中的虛線(xiàn))。

　　圖4 有源鉗位功能

　　如圖5所示，隨著(zhù)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(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(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(gè)SMCJ容許的最大功率是(150-50)/75=1.33W。

　　所需TVS二極管數量將通過(guò)計算4.5 / 1.33 = 3.38pcs來(lái)確定，所以至少應有四個(gè)TVS二極管進(jìn)行串聯(lián)以獲得足夠的余量。每個(gè)TVS VBR應該共享900/4 = 225V。結果，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)。