産業用制御システムでは、電力と効率を制御するために可変周波数ドライブが一般的に使用されています。ただし、これらの重要なコンポーネントは、過電流や短絡の状況から保護する必要があります。この記事では、 Littelfuse SMFシリーズTVSダイオードが、電力供給アプリケーションにおけるIGBTターンオフ時のSiC MOSFET保護に最適な選択肢である理由について説明します。
IGBTアクティブ クランプ アプリケーションにおける高電圧TVSダイオードの使用
IGBTターンオフ時の過電圧の解析IGBTモジュールとコンバータ回路には、完全に排除できない寄生インダクタンスがあり、システムの動作への影響も無視できません。図1は、整流回路に含まれる寄生インダクタンスを示しています。IGBTのターンオフによって生じる電流の変化により、図2に示すように、コレクタ端子にオーバーシュート電圧が発生します。IGBTでの整流速度 (したがって、ターンオフ過電圧) は、原理的には、ターンオフ ゲート抵抗Rg(off) によって影響を受ける可能性があります。この技術は特に低電力レベルで使用されます。ただし、Rg(off) は、定格電流の2倍のオフ、短絡、リンク回路電圧の一時的な増加などの過負荷状態に合わせて調整する必要があります。通常の動作では、スイッチング損失とターンオフ遅延が増加し、モジュールの使いやすさや効率が低下します。結果として、この単純な技術は現代の高出力モジュールには適していません。
ソフトターンオフ
前の段落で説明した問題により、可逆ゲート抵抗で動作する2段階ターンオフ、ソフト スイッチ オフ、およびスロー ターンオフ ドライバ回路が開発されました。通常の動作では、スイッチング損失を最小限に抑えるために、低抵抗のゲート抵抗を使用してIGBTをオフにします。短絡またはサージ電流が検出されると、高抵抗のゲート抵抗が使用されます (図3を参照)。しかし、問題はこれらの状態を確実に検出することです。不飽和度の監視では、障害が検出されるまでに常に遅延 (通常4 ～ 10 μs) が発生し、これを応答時間と呼びます。IGBTが短絡時の応答時間よりも短いパルスで駆動されると、障害が検出されず、ドライバがすぐにオフになります。結果として生じる過電圧によりIGBTが破壊されます。さらに、制限ケース（過電流/非過電流間）のカバレッジには問題があります。たとえば、短絡ターンオフ時よりも、定格の2倍の電流がオフになったときに、より高い過電圧が発生する可能性があります。こうした種類のドライバ回路は危険であると考える必要があり、高出力機器や高い信頼性が求められるシステムでは使用しないようにユーザーにアドバイスする必要があります。
アクティブクランプ
アクティブクランプは、従来、一時的な過負荷が発生した場合に半導体を保護するためにのみ使用されます。その結果、クランプ要素は繰り返しパルス動作を受けることはありません。繰り返し動作の問題はIGBTとドライバの電力によって制限されます。アクティブ クランプ中は、IGBTとドライバの両方がエネルギーを吸収します。アクティブクランプとは、アバランシェ特性を持つ要素を介してコレクタ電位をゲートに直接フィードバックすることを意味します。図4は、IGBTスイッチを使用してこの原理を示しています。