力特供稿
在简直一切的工业控制体系中，变频器(VFD)/逆变器一般安装在电机的前端，以便调理速度和节约能源。依据不同的输入电压要求，逆变器一般分为低压(110V、220V、380V等)、中压(690V、1140V、2300V等)和高压(3kV、3.3kV、6kV、6.6kV、10kV等)。
由于变频器/逆变器是供给电力的要害组件，因而其功用和可靠性关于不间断电源是至关重要的。本操作说明书要点介绍在恶劣条件下也能保证VFD可靠性和正常作业的TVS二极管。
图1 带有维护组件的典型三相变频器/逆变器拓扑结构
图1中，橙色方框杰出显现用于过流或短路维护的沟通线路熔断器。欲了解怎么挑选熔断器的详细信息，请参阅“Littelfuse熔断器挑选攻略”。蓝色方框标识了用于避免由于雷击或电源谐波电压中止的瞬态按捺器。金属氧化物压敏电阻(MOV)因其钳位特性和高功率容量而被广泛运用。所需的MOV额外值将取决于预期的浪涌电流水平缓沟通电路拓扑结构。例如，如图1所示，假如衔接沟通380V电源，为了满意3kA(8 /20μs处)的雷击浪涌要求，可采用三个V20E250P(250V)UltraMOV®高浪涌电流径向引线式压敏电阻进行线对线(差模)维护，单个V20E550P(550V)UltraMOV高浪涌电流径向引线式压敏电阻可用于线对地(共模)维护。三个MOV以星形衔接并与另一个对地MOV分隔将增强线到线和线对地维护。
挑选MOV时，钳位电压也有必要加以考虑。关于这种状况，当两个串联的V20E250P压敏电阻供给差动维护时，其组成钳位电压约为1400V。关于整流二极管、电容器和IGBT(绝缘栅双极晶体管)，额外电压应大于这个值，以便为整个体系供给满足的电压维护。
有时，为整个体系供给电压维护可能是十分困难的，特别是关于600V或更高的高电力线电压运用。关于这些状况，Littelfuse提出了额外的(或次级)高功率TVS二极管供给精确的低电压钳位才干，为整流二极管、电容器和IGBT供给差模维护。
图2 带有TVS二极管的380V三相变频器 /逆变器拓扑结构
如图2中的粉赤色方框所示，能够增加两个AK3-380C TVS二极管，以在最大3kA(8 /20μs处)浪涌电流期间供给差模维护。AK3-380是一款额外电压为3kA(8 /20μs处)的双向高功率TVS二极管，断态电压为380V。两个AK3-380C TVS二极管的最大钳位电压是1040V，远远低于MOV的最大钳位电压。因而，它们能够为6单元IGBT供给极好的浪涌维护，一起坚持电路处于正常作业状况。这些TVS二极管为规划人员挑选整流二极管和IGBT供给了更大灵活性。
现在，咱们再从头看看图1。赤色方框杰出了交直流整流二极管。绿色方框标识直流母线过压的制动斩波器电路(请查阅IGBT制造商的操作说明书，以依据相关攻略挑选这些器材的适宜类型)。紫色方框显现用于负载供电的IGBT桥式交直流逆变器。
1 IGBT维护
IGBT兼具功率晶体管和功率MOSFET的长处。它在高频率作业，驱动和断开都十分简洁;可是，它也有一个缺陷。一般状况下，两个部分均需求进行维护以完成稳健的规划：
• 由于栅极是MOS结构，所以很简单被静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)或密勒效应引起的过电压损坏。
• 在高功率/大电流运用中，器材断开时，IGBT端子C和端子E可能发生高压浪涌。
由于密勒%&&&&&%((CGC)的存在，当经过脉冲开关信号驱动IGBT的栅极时，会发生很高的过压，然后损坏IGBT的栅极。为了在过压事情中维护栅极，一般会运用一个双向600W TVS二极管，如图3所示。例如，在一个一般需求+ 15V偏压才干敞开器材以及需求-15V偏压才干将其断开的运用中，可运用SMBJ16CA瞬态按捺二极管，有助于保证电压坚持低于±20V的最大VGE。SMBJ16CA TVS二极管的VBR约为17.8〜19.7V，低于20V的最大值。在某些状况下，当IGBT由单极驱动器驱动时，应运用单向TVS SMBJ16A TVS二极管。
图3 IGBT栅极维护
有源钳位是一种可在IGBT关断时使瞬态过压坚持低于临界极限的技能。如图4所示，有源钳位的规范办法是运用衔接在辅佐集电极和IGBT栅极之间的TVS二极管。当集电极 – 发射极电压超越TVS二极管击穿电压时，TVS二极管开端导通，这个电流加起来即为IGBT驱动器输出电流的值并导致栅极 – 发射极电压增加。因而，IGBT仍处于有源形式，关断进程延伸。增加有源钳位TVS二极管，会减慢IGBT集电极电流的改变率，然后约束电压过冲并下降IGBT关断过压ΔVCE。因而，TVS二极管串联钳位过冲电压特别适用于VCE超越1200V的高压IGBT。
多年来有源钳位已广泛运用于在关断事情期间约束IGBT的集电极 – 发射极电压。当IGBT的集电极 – 发射极电压超越预先设定的阈值时，IGBT部分导通。然后，IGBT在线性作业中坚持，然后减小集电极电流的下降速率，由此下降集电极 – 发射极过压(参见图5中实线，较小斜率的%&&&&&%、较长的VGE和VCE的钳位值) 。
可是，假如在关断期间没有施行在IGBT集电极的TVS二极管对栅极关断，则VGE的关断将导致集电极和栅极两头的电压忽然升到太高的水平，这种状况会形成IGBT毛病(见图5中的虚线)。
图4 有源钳位功用
如图5所示，跟着增加有源钳位电路后，VGE浪涌电压下降。可是，规划师怎么才干核算出供给这种浪涌维护所需的TVS二极管的数量呢? 以下示例可能对您有所协助。
图5 浪涌电压比较
如图6所示，IGBT的1300V浪涌电压有0.5μs的浪涌时刻和0.5ms的间隔时刻。
图6 浪涌电压波形
正常状况下，关于1200V的IGBT维护电压，直流作业电压小于600V，所以选用800V(VBR〜900V)的TVS二极管组合是能够承受的。无妨假定这个1300V的浪涌电压在TVS二极管中会发生5A的浪涌电流 (发生的电流水平还取决于RGE和R的值)。
下面的公式能够用来粗略地估量浪涌脉冲功率水平：
均匀 PD=VBR×IPP×tP/T=900×5×0.5/500=4.5W
就这个比如而言，能够运用SMCJ TVS二极管，由于它具有RΘJA75°C/W的热阻抗，所以假如该电机在50°C的环境最大值下作业，那么每个SMCJ容许的最大功率是(150-50)/75=1.33W。
所需TVS二极管数量将经过核算4.5 / 1.33 = 3.38pcs来确认，所以至少应有四个TVS二极管进行串联以取得满足的余量。每个TVS VBR应该同享900/4 = 225V。成果，在这种状况下主张运用四个1.5SMC220A TVS二极管。留意，TVS系列的挑选也是根据R和RGE的实践值。实践作业条件下也可运用较低额外值的瞬态按捺二极管(如SMAJ或SMBJ等)。
