IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的鉗位電路

作者： 楊勇，來源： 英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體微信公眾號(hào)

在IGBT驅(qū)動(dòng)電路中有時(shí)會(huì)用到鉗位電路，其主要目的是為了保護(hù)IGBT器件，避免運(yùn)行參數(shù)超過集電極或者門極的極限參數(shù)，今天我們總結(jié)一下Vce以及Vge鉗位電路設(shè)計(jì)使用注意事項(xiàng)。

Vce鉗位電路

Vce鉗位電路目的是為了避免在大電流、短路、低溫等特殊工況時(shí)，Vce之間的尖峰電壓超過器件可以耐受的最大值，該電路的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。該電路由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且能起到立桿見影的效果，被很多設(shè)計(jì)者采用。

圖一 有源鉗位電路示意圖

其鉗位電壓的選擇可以采用以下公式：

其中：

Vmax為電路設(shè)計(jì)中允許的Vce電壓最大值， 應(yīng)考慮器件阻斷電壓以及余量

Vz為鉗位二極管的額定電壓

aT為溫漂系數(shù)，通常為0.1%，具體的數(shù)值需要查閱所選擇器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)

Tj為器件實(shí)際的工作溫度

Tv為器件鉗位電壓值的容差，比如有5%或者10%，具體值查閱器件數(shù)據(jù)手冊(cè)

Vce peak為器件阻斷電壓

但是，對(duì)于該電路也存在兩種截然不同的觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為，由于鉗位二極管容差以及溫漂影響很大，其實(shí)際運(yùn)行時(shí)開啟的電壓值變化幅度大，導(dǎo)致鉗位電壓值不固定，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中不采用；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這種電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，即使二極管特性不是很穩(wěn)定但是適當(dāng)增加冗余或者采用多個(gè)鉗位電壓較低的二極管串聯(lián)，也可以達(dá)到減小鉗位二極管容差的目的，從而使鉗位電壓值偏差相對(duì)減小。兩種設(shè)計(jì)思路各有利弊，你會(huì)考慮哪種呢，歡迎大家發(fā)表各自的見解。詳細(xì)工作原理也可參照微信文章鏈接如何抑制IGBT集電極過壓尖峰

Vge鉗位電路

在IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，可以采用三種方式來控制Vge之間的電壓在器件允許的范圍內(nèi)。

第一種如圖二中VDZ，GE之間采用雙向鉗位二極管；

第二種將門極通過快速二極管連接到驅(qū)動(dòng)電源（如圖二中VD2）；

第三種是在GE之間采用三極管把門極電壓下拉到發(fā)射極(如圖三)。

圖二 Vge通過快速二極管連接到驅(qū)動(dòng)電源

圖三 Vge通過米勒鉗位電路避免直通

首先看GE之間采用雙向鉗位二極管。這種電路可以有效地降低Vge電壓尖峰，以確保Vge的電壓在特定場(chǎng)合比如短路中，保持在設(shè)計(jì)者期望的電壓水平。但是在多年的實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)雙向二極管在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)發(fā)生單向擊穿，出現(xiàn)單邊失效呈現(xiàn)短路狀態(tài)，請(qǐng)大家在設(shè)計(jì)使用中特別留意。

第二種設(shè)計(jì)是在Vge電路中通過肖特基二極管連接到驅(qū)動(dòng)的正電源，如上圖二的二極管VD2。這種電路其實(shí)是前面第一種電路的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，由于電路的工作特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)回路中的負(fù)電壓比較穩(wěn)定，可以通過電源設(shè)計(jì)解決，而正電壓在dudt發(fā)生變化時(shí)會(huì)通過米勒電容的電流抬升門極電壓，因此需要鉗位電路把門極正電壓鉗在合適的位置，比如+15V的驅(qū)動(dòng)電源。在選擇二極管時(shí)考慮40V的耐壓即可，另外在封裝允許的條件下盡可能選擇平均電流稍大的器件，這樣在實(shí)際應(yīng)用中壓降小更容易使電壓鉗位在接近正電源的水平，同時(shí)在布線時(shí)該二極管要靠近門極。

第三種電路又叫米勒鉗位，主要是用在門極關(guān)斷電壓是0V的情況，常用于一些小功率場(chǎng)合。在對(duì)管開通時(shí)，dudt的變化會(huì)抬高處于關(guān)閉狀態(tài)的另一個(gè)IGBT的門極電壓，這種情況在某些條件下會(huì)導(dǎo)致處于串聯(lián)的IGBT器件同時(shí)開通，從而導(dǎo)致短路。為了避免這個(gè)情況可以采用圖三所示的Rb+T電路，在IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，Vge電壓處于低電平，比如0V，因此三極管T處于開通狀態(tài)。在布線時(shí)確保三極管放在靠近IGBT門極的位置，以確保IGBT的門極電壓水平處于下拉水平，從而為米勒電流提供了一條低阻回路，避免門極電壓水平受到米勒電流的影響而抬高電壓，導(dǎo)致IGBT誤導(dǎo)通。詳細(xì)的測(cè)試波形請(qǐng)參看鏈接IGBT門極驅(qū)動(dòng)到底要不要負(fù)壓

小結(jié)一下

1.給出Vce有源鉗位電路二極管選型的計(jì)算參考，但是是否選用該電路取決于設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)傾向以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
2.Vge鉗位電路有以下三種：

采用雙向鉗位二極管，但是使用中會(huì)出現(xiàn)單邊失效問題，謹(jǐn)慎采用；

通過肖特基二極管連接門極+15v到電源正極，達(dá)到鉗位的作用；

在門極關(guān)斷電壓是0V時(shí)，通過三極管在門極和集電極之間設(shè)置低阻回路，避免米勒電壓引起的寄生導(dǎo)通。位二極管，但是使用中會(huì)出現(xiàn)

審核編輯 黃宇