美國CDE電容模塊在緩沖電路中的應(yīng)用

1引言

眾所周知，在電力電子器件的應(yīng)用電路中，無一例外地都要設(shè)置緩沖電路，即吸收電路。一些初次應(yīng)用全控型器件的讀者或許有這樣的感受：器件莫名其妙地損壞了。雖然損壞的原因頗多，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。

2緩沖原理

器件損壞，不外乎是器件在開關(guān)過程中遭受了過量di/dt、dv/dt或瞬時功耗的危害而造成的。緩沖電路的作用，就是改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過電壓，降低器件開關(guān)損耗，保護器件安全運行。

圖1所示為GTR驅(qū)動感性負載時的開關(guān)波形。不難看出，在開通和關(guān)斷過程中，GTR集電極電壓uc和集電極電流ic將同時出現(xiàn)，因而開關(guān)功耗大。加入緩沖電路，可將部分開關(guān)功耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路上，達到保證器件安全運行的目的。

典型復(fù)合式緩沖電路如圖2所示。當(dāng)GTR關(guān)斷時，負載電流經(jīng)緩沖二極管D向緩沖電容Cs充電，同時集電極電流ic逐漸減少。由于電容Cs兩端電壓不能突變，所以有效地限制了GTR集電極電壓上升率dv/dt，降低了GTR的電壓應(yīng)力，同時集電極電流轉(zhuǎn)移到了緩沖電路，從而降低了關(guān)斷功耗。GTR集電極母線電感以及雜散電感，在GTR開通時儲存的能量LI2/2，這時轉(zhuǎn)換成CsVcs2/2儲存在緩沖電容Cs中。當(dāng)GTR開通時，集電極母線電感和其他雜散電感以及Rs對Cs放電的限流作用，有效地限制了GTR集電極電流上升率di/dt，降低了GTR的電流應(yīng)力，同樣也降低了開通功耗。這樣，緩沖電路不僅降低了開關(guān)器件的開關(guān)損耗，而且降低了器件所承受的電壓、電流應(yīng)力，從而保護了GTR安全運行。

緩沖電容Cs容量不同，其緩沖效果也不相同。圖3給出了不同容量下GTR電流、電壓關(guān)斷波形。圖3（a）

圖1GTR的開關(guān)波形

圖2復(fù)合式緩沖電路

圖3GTR電流、電壓關(guān)斷波形

(a)無緩沖電容(b)緩沖電容較小(c)緩沖電容過大

圖4通用的三種IGBT緩沖電路(a)SCD型(b)SCM型(c)SCC型  [!--empirenews.page--]

為無緩沖電容時的波形，圖3（b）為緩沖電容Cs容量較小時的波形，圖3（c）為緩沖電容Cs容量較大時的波形。不難看出，無緩沖電容時，集電極電壓上升時間和集電極電流下降時間極短，致使關(guān)斷功耗大。緩沖電容Cs容量較小時，集電極電壓上升較快，關(guān)斷功耗也較大。緩沖電容Cs容量較大時，集電極電壓上升較慢，關(guān)斷功耗較小。

3IGBT緩沖電路

通用的IGBT緩沖電路有三種形式，如圖4所示。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，用作對瞬變電壓有效而低成本的控制，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，適用于較大功率IGBT模塊，緩沖二極管D可箝制瞬變電壓，從而能抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其RC時間常數(shù)應(yīng)設(shè)計為開關(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，功能類似于圖4（b）緩沖電路，其回路電感更小。若同時配合使用圖4（a）緩沖電路，還能減小緩沖二極管的應(yīng)力，使緩沖效果更好。

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

ΔV1=LS×di/dt（1）

式中：LS為緩沖電路的寄生電感；

di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)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，則可由式（1）確定緩沖電路允許的最大電感量。例如，設(shè)某IGBT電路工作電流峰值為400A，ΔV1≤100V，

則在最惡劣情況下，

di/dt=0.02×400=8A/ns

由式（1）得

LS=ΔV1/（di/dt）=100/8=12.5nH

圖中ΔV2是隨著緩沖電容的充電，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)，可用能量守恒定律求值。如前所述，母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感，在IGBT開通時儲存的能量要轉(zhuǎn)儲在緩沖電容中，因此有

LPI2/2=CΔV22/2（2）

式中：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，則可由式

圖5采用緩沖電路后IGBT關(guān)斷電壓波形  [!--empirenews.page--]

（2）確定緩沖電容的值。

從式（1）和式（2）不難看出，大功率IGBT電路要求母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感愈小愈好。這不僅可以降低ΔV1，而且可以減小緩沖電容C的值，從而降低成本。

表1針對不同直流母線電感量，列出緩沖電容的推薦值。該表是設(shè)定ΔV2≤100V時由式（2）計算得出的。

還有一種經(jīng)驗估算的辦法，通常以每100A集電

極電流約取1μF緩沖電容值。這樣得到的值，對于很

好地控制瞬態(tài)電壓是充分的。

4美國CDE電容模塊在緩沖電路中的應(yīng)用

從第3節(jié)的討論得知，母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感，對IGBT電路尤其是大功率IGBT電路，有極大的影響。因此，希望它愈小愈好。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極電容，與IGBT相匹配的快速緩沖二極管，以及無感泄放電阻；第四，其它有效措施。目前，緩沖電路的制作工藝也有多種方式：有用分立件連接的；有通過印制版連接的；更有用緩沖電容模塊直接安裝在IGBT模塊上的。顯然，最后一種方式因符合上述第二、第三種降感措施，因而緩沖效果最好，能最大限度地保護IGBT安全運行。

美國CDE是一家老牌跨國公司，其電容產(chǎn)品因品質(zhì)優(yōu)越而為美國國家宇航局選用，并隨航天器而享譽太空。CDE公司的緩沖電容模塊能充分滿足IGBT電路尤其是大功率IGBT電路對緩沖電路的要求。CDE公司的緩沖電容模塊有SCD、SCM和SCC三種類型，其選型參數(shù)見表2。

（1）SCD型電容模塊為一單元緩沖電容封裝，構(gòu)成圖4（a）緩沖電路。適用于中、小電流容量的IGBT模塊，以吸收高反峰瞬變電壓。容量0.22μF～4.7μF，直流電壓分600V、1000V、1200V、1600V、2000V五檔。其特點是，低介質(zhì)損耗，低電感（<20nH），有自修復(fù)能力，防火樹脂封裝，直接安裝在IGBT模塊上。

（2）SCM型電容模塊為一單元緩沖電容與緩沖二極管封裝，與外接電阻構(gòu)成圖4（b）緩沖電路。適用于中、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，即電容模塊中緩沖電容與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。若用兩個一單元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，N型并接N母線端IGBT模塊。容量范圍0.47μF～2.0μF，直流電壓分600V、1200V兩檔。其特點是，低介質(zhì)損耗，低電感量，緩沖電容與快恢二極管一體封裝，有導(dǎo)線與外接電阻相連，防火樹脂封裝，直接安裝在IGBT模塊上。

（3）SCC型電容模塊為兩單元緩沖電容與緩沖二極管封裝，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0.47μF～2.0μF，直流電壓分600V、1200V兩檔。其特點是，低介質(zhì)損耗，低電感量，高峰值電流，緩沖電容與超快恢復(fù)二極管一體封裝，有導(dǎo)線與外接電阻相連，防火樹脂封裝，直接安裝在IGBT模塊上。

5結(jié)語

以上簡單的討論和介紹，其目的是想引起讀者對緩沖電路和緩沖電容選擇問題的充分重視。在可能的

表1緩沖電路和功率電路設(shè)計推薦值

表2電容模塊選型表

情況下，最好選用適當(dāng)?shù)?strong>電容模塊構(gòu)成適當(dāng)?shù)?strong>緩沖電路，并直接安裝在IGBT模塊上。這樣，莫名其妙損壞IGBT模塊的幾率，也許會小得多。