電容模塊在緩沖電路中的應(yīng)用

摘要：討論了IGBT模塊緩沖電路的緩沖原理，給出了三種通用的IGBT緩沖電容，并介紹了美國(guó)CDE公司的三種電容模塊的基本參數(shù)和特點(diǎn)以及在緩沖電路中的應(yīng)用。

1 引言

眾所周知，在電力電子功率器件的應(yīng)用電路中，無(wú)一例外地都要設(shè)置緩沖電路，即吸收電路。因?yàn)槿刂破骷陔娐饭ぷ鲿r(shí)莫名其妙損壞的原因雖然很多，但緩沖電路和緩沖電容選擇不當(dāng)是不可忽略的重要原因所在。

2 緩沖原理

電路中器件的損壞，一般都是在器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中遭受了過(guò)大的di/dt、du/dt或瞬時(shí)功耗的沖擊而造成的。緩沖電路的作用就是改變器件的開(kāi)關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)時(shí)的過(guò)電壓，以降低器件開(kāi)關(guān)損耗來(lái)確保器件的安全。

圖1所示為GTR在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)波形。不難看出，在開(kāi)通和送斷過(guò)程中的某一時(shí)刻，GTR集電極電壓Uc和集電極電流ic將同時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)瞬時(shí)功耗也最大。加入緩沖電路可將這一開(kāi)關(guān)功耗轉(zhuǎn)移到相關(guān)的電阻上消耗掉，從而達(dá)到保證器件安全運(yùn)行的目的。

典型復(fù)合式緩沖電路如圖2所示。當(dāng)GTR關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管D向緩沖電容C充電，同時(shí)集電極電流ic逐漸減少。由于電容C兩端電壓不能突變，所以有效地限制了GTR上集電極電壓的上升率du/dt，也避免了集電極電壓Uc和集電極電流ic同時(shí)達(dá)到最大值。而GTR集電極上的母線電感以及緩沖電路元件內(nèi)部的雜散電感在GTR開(kāi)通時(shí)儲(chǔ)存的能量LI2/2，將轉(zhuǎn)換成CV2/2儲(chǔ)存在緩沖電容C中。因此當(dāng)GTR開(kāi)通時(shí)，集電極母線電感以及其它雜散電感，又有效地限制了GTR集電極上的電流上升率di/dt，從而也避免了集電極電壓Uc和集電極電流ic同時(shí)達(dá)到最大值。這樣，緩沖電容C通過(guò)外接電阻R和GTR開(kāi)關(guān)放電，以使其儲(chǔ)存的開(kāi)關(guān)能量在外接電阻和電路元件內(nèi)部電阻上消耗掉。從而將GTR運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路，并在相關(guān)電阻上以熱的形式消耗掉，經(jīng)達(dá)到保護(hù)GTR安全運(yùn)行的目的。

緩沖電容C的容量不同，其緩沖效果也不相同。圖3畫出了不同容量下GTR電容、電壓的關(guān)斷為緩沖電容C容量較小時(shí)的波形，圖3( c)為緩沖電容C容量較大時(shí)的波形。不難看出，無(wú)緩沖電容時(shí)，集電極電壓上升時(shí)間極短，致使電流、電壓同時(shí)達(dá)到最大，因而瞬時(shí)功耗最大。緩沖電容C容量較小時(shí)，集電極電流下降至零之前，其電壓已上升至電源值，瞬時(shí)耗較大。緩沖電容C容量較大時(shí)，集電極電流下降至零之后，其電壓才上升至電源值。因而瞬時(shí)功耗較小。

3 IGBT緩沖電路

通用的IGBT緩沖電路有圖4所示的三種形式。其中，圖4（a）為單只低電感吸收電容構(gòu)成的緩沖電路，適用于小功率IGBT模塊，用來(lái)對(duì)瞬變電壓有效時(shí)的低成本控制，使用時(shí)一般將其接在C1和E2之間（兩單元模塊）或P和N之間（六單元模塊）。圖4(b)為RCD構(gòu)成的緩沖電路，適用于較小功率的IGBT模塊，緩沖二極管D可箝住瞬變電壓，以抑制由于母線寄存電感引起的寄存振蕩。其RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為開(kāi)關(guān)周期的1/3，即τ=T/3=1/3f。圖4（c）為P型RCD和N型RCD構(gòu)成的緩沖電路，適用于大功率IGBT模塊，其功能類似于圖4（b）緩沖電路，但其回路電感更小。若同時(shí)配合使用圖4(a)緩沖電路，則可減小緩沖二極管的應(yīng)力，從而使緩沖效果達(dá)到最佳。

IGBT采用緩沖電路后的典型關(guān)斷電壓波形如圖5所示。圖中，VCE起始部分的毛刺ΔV1是由緩沖電路的寄存電感和緩沖二極管的恢復(fù)過(guò)程引起的。其值由下式計(jì)算：

ΔV1=Lsdi/dt

式中，Ls為緩沖電路的寄存電感，di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)皮瞬間的電流上升率，其最惡劣的值接近0.02ic(A/ns)。

如果ΔV1已被設(shè)定，則可確定緩沖電路允許的最大電感量Ls。如某IGBT電路的工作電流峰值為400A，ΔV1≤100V，可算出在最惡劣情況下的Ls：

Ls=ΔV1/(di/dt)=100/（0.02×400）=12.5（nH）

圖中的ΔV2是在緩沖電容充電時(shí)，瞬態(tài)電壓再次上升的峰值，它與緩沖電容的值和母線寄生電感有關(guān)，根據(jù)能量守恒定律，母線電感以及緩沖電路元件內(nèi)部的雜散電感在IGBT開(kāi)通時(shí)儲(chǔ)存的能量要轉(zhuǎn)儲(chǔ)在緩沖電容中，因此有：

Lpi2/2=ΔV2C2/2

式，Lp為母線寄生電感,I為工作電流，C為緩沖電容的值，ΔV2為緩沖電壓的峰值。

同樣，如果ΔV2已被設(shè)定，同可確定緩沖電容的值。不難看出，大功率IGBT電路要求母線電感以及緩沖電路元件內(nèi)部的雜散電感愈小愈好。這不僅可以降低ΔV1，而且可以減小緩電容C的值，從而降低成本。

表1是針對(duì)不同直流母線電感量列出的緩沖電容的推薦值。該表是在ΔV2≤100V時(shí)算出的。也可以使用經(jīng)驗(yàn)估算的辦法來(lái)確定電容值，通常每100A集電極電流約取1μF緩沖電容值。這樣得到的值，也能較好的控制瞬態(tài)電壓。

表1 不同直流母線電感時(shí)的緩沖電容推薦值

4 CDE在緩沖電路中的應(yīng)用

從以上討論得知，母線電感以及緩沖電路元件內(nèi)部的雜散電感對(duì)IGBT電路尤其是大功率IGBT電路有極大的影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)希望它愈小愈好。但要減小這些電感，需從多方面入手。第一，直流母線要盡量地短；第二，緩沖電路要盡可能地貼近模塊；第三，選用低電感的聚丙烯無(wú)極電容和與IGBT相匹配的快速緩沖二極管，并應(yīng)選用無(wú)感泄放電阻；第四，采用其它有效措施。目前，緩沖電路的制作工藝也有多種方式，其中有用分離件連接時(shí)，有通過(guò)印藝制版連接的；更有用緩沖電容模塊直接安裝有IGBT模塊上的。顯然，最后一種方式因符合上述第二、三種降感措施，因而緩沖效果最好，可以最大限制地保證IGBT安全運(yùn)行。

美國(guó)CDE是一家老牌跨國(guó)公司，其電容產(chǎn)品因品質(zhì)優(yōu)越而為美國(guó)國(guó)家宇航局選用。CDE公司的緩沖電容模塊能夠充分滿足IGBT電路尤其是大功率IGBT電路對(duì)緩沖電路的要求。CDE公司的緩沖電容模塊有SCD、SCM和SCC三種，其選型參數(shù)如表2所列。

SCD型電容模塊為一單元緩沖電容封裝，適用于4（a）緩沖電路。可在中、小電流容量的IGBT模塊中吸收高反峰瞬變電壓。其容量為0.22μF～4.7μF,直流電壓分為600V、1000V、1200V、1600V、2000V五檔。其特點(diǎn)是低介質(zhì)損耗，低電感（20nH），有自修復(fù)能力，采用防火樹脂封裝，可直接安裝在IGBT模塊上。

SCM型電容模塊為一單元緩沖電容與緩沖二極管封裝，可與外接電阻構(gòu)成圖4（b）緩沖電路。適宜竽中、小電流容量的IGBT模塊。根據(jù)緩沖電容位置的不同，有P型和N型之分，電容模塊緩沖電容與P母線相連的稱P型，與N母線相連的稱N型。N型電容模塊適合于一或兩單元IGBT模塊。其用兩個(gè)一單元IGBT模塊串聯(lián)并采用圖4（c）緩沖電路，則P型并接P母線端IGBT模塊，而N型應(yīng)并接N母線端IGBT模塊。該電容模塊的容量范圍為0.47μF～2.0μF，直流電壓分為600V、1200V兩檔。其特點(diǎn)是低介質(zhì)損耗，低電感量，緩沖電容與快恢復(fù)二極管在一體，有導(dǎo)線與外接電阻相連，采用防火樹脂封裝，可直接安裝在IGBT模塊上。

SCC型電容模塊為兩單元緩沖電容與緩二極管封裝，可與外接電阻構(gòu)成圖4（c）緩沖電路。適用于大電流容量的兩單元IGBT模塊。容量在0.47μV～2.0μV，直流電壓分為600V、1200V兩棣。其特點(diǎn)是，低介質(zhì)損耗，低電感量，高峰值電流，緩沖電容與超快恢二極管一體封裝，有導(dǎo)線與外接電阻相連，采用防火樹脂封裝，可直接安裝在IGBT模塊上。