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CDE无感吸收电容器的应用




1 引 言   www.cde.com

    众所周知,在电力电子功率器件的应用电路中,无一例外地都要设置缓冲电路,即吸收电路。一些初次应用全控型器件的读者或许有这样的感受:器件莫名其妙损坏。虽然原因颇多,但缓冲电路和缓冲电容选择不当是不可忽略的重要原因。

2 缓冲原理

    器件损坏,不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt、dv/dt或瞬时功耗的危害而造成的。缓冲电路的作用,就是改变器件的开关轨迹,控制各种瞬态过电压,降低器件开关损耗,保护器件安全运行。






    图1所示为GTR驱动感性负载时的开关波形。不难看出,在开通和关断过程中的某一时刻,GTR集电极电压uc 和集电极电流 ic 将同时达到最大值,因而瞬时功耗也最大。加入缓冲电路,可将开关功耗转移到相关电阻上消耗掉,达到了保证器件安全运行的目的。

    典型复合式缓冲电路如图2。当GTR 关断时,负载电流经缓冲二极管D向缓冲电容C充电,同时集电极电流 ic逐渐减少。由于电容C两端电压不能突变,所以有效地限制了GTR集电极电压上升率dv/dt,也避免了集电极电压uc 和集电极电流 ic 同时达到最大值。GTR集电极母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感,在GTR开通时储存的能量1/2 LI2,这时转换成1/2 CV2储存在缓冲电容C中。当GTR 开通时,集电极母线电感以及其他杂散电感,又有效地限制了GTR集电极电流上升率di/dt,同样也避免了集电极电压uc 和集电极电流 ic 同时达到最大值。此时,缓冲电容C通过外接电阻R和GTR开关放电,其储存的开关能量也随之在外接电阻和电路、元件内部电阻上消耗掉。如此,便将GTR运行时产生的开关损耗,转移到缓冲电路,最后在相关电阻上以热的形式消耗掉,从而保护了GTR安全运行。



图3 GTR电流、电压关断波形

    缓冲电容C容量不同,其缓冲效果也不相同。图3画出了不同容量下GTR电流、电压关断波形。图3(a)为无缓冲电容时的波形,图3(b)为缓冲电容C 容量较小时的波形,图3(c)为缓冲电容C 容量较大时的波形。不难看出,无缓冲电容时,集电极电压上升时间极短,致使电流、电压同时达到最大,因而瞬时功耗最大。缓冲电容C 容量较小时,集电极电流下降至零之前,其电压已上升至电源值,瞬时功耗较大。缓冲电容C 容量较大时,集电极电流下降至零之后,其电压才上升至电源值。瞬时功耗较小。


图4 通用的三种IGBT缓冲电路

3 IGBT缓冲电路

    通用的IGBT缓冲电路有三种形式,如图4 。图4(a)为单只低电感吸收电容构成的缓冲电路,适用于小功率IGBT模块,用作对瞬变电压有效而低成本的控制,接在C1和E2之间(两单元模块)或P和N之间(六单元模块)。图4(b)为RCD构成的缓冲电路,适用于较大功率IGBT模块,缓冲二极管D可箝住瞬变电压,从而能抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3,即τ=T/3=1/3f 。图4(c)为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路,适用于大功率IGBT模块,功能类似于图4(b)缓冲电路,其回路电感更小。若同时配合使用图4(a)缓冲电路,还能减小缓冲二极管的应力,使缓冲效果更好。






图5 采用缓冲电路后IGBT关断电压波形


IGBT采用缓冲电路后典型关断电压波形如图5 。图中,VCE起始部分的毛刺ΔV1是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。其值由下式计算:
ΔV1=LS×di/dt (式1)
式中LS为缓冲电路的寄生电感,di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流上升率,其最恶劣的值接近0.02 ic (A/ns)。
如果ΔV1已被设定,则可由(式1)确定缓冲电路允许的最大电感量。例如,设某IGBT电路工作电流峰值为400A,ΔV1≤100V,则在最恶劣情况下,
di/dt=0.02×400=8(A/ns) 由(式1)得
LS=ΔV1 /(di/dt)=100/8=12.5(nH)
图中ΔV2是随着缓冲电容的充电,瞬态电压再次上升的峰值,它与缓冲电容的值和母线寄生电感有关,可用能量守恒定律求值。如前所述,母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感,在IGBT开通时储存的能量要转储在缓冲电容中,因此有
1/2LPi2=1/2CΔV22 (式2)
式中,LP为母线寄生电感,
i为工作电流,
C为缓冲电容的值,
ΔV2为缓冲电压的峰值。
同样,如果ΔV2已被设定,则可由(式2)确定缓冲电容的值。









从(式1)和(式2)不难看出,大功率IGBT电路要求母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感愈小愈好。这不仅可以降低ΔV1,而且可以减小缓冲电容C的值,从而降低成本。
表1针对不同直流母线电感量,列出缓冲电容的推荐值。该表是设定ΔV2≤100V时由(式2)计算得出的。
还有一种经验估算的办法,通常以每100A集电极电流约取1μF缓冲电容值。这样得到的值,对于很好的控制瞬态电压是充分的。


4 美CDE电容模块在缓冲电路中的应用


从第3节的讨论得知,母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感,对IGBT电路尤其是大功率IGBT电路,有极大的影响。因此,希望它愈小愈好。要减小这些电感,需从多方面入手。
第一,直流母线要尽量地短;
第二,缓冲电路要尽可能地贴近模块;
第三,选用低电感的聚丙烯无极电容,与IGBT相匹配的快速缓冲二极管,以及无感泄放电阻 ;
第四,其它有效措施。


    目前,缓冲电路的制作工艺也有多种方式:有用分离件连接的;有通过印制版连接的;更有用缓冲电容模块直接安装在IGBT模块上的。显然,最后一种方式因符合上述第二、第三种降感措施,因而缓冲效果最好,能最大限度地保护IGBT安全运行。

    美CDE是一家老牌跨国公司,其电容产品因品质优越为美国家宇航局选用,随航天器而播誉太空。CDE公司的缓冲电容模块就能充分满足IGBT电路尤其是大功率IGBT电路对缓冲电路的要求。CDE公司的缓冲电容模块有SCT、SCM和SCC三型,其选型参数见表2。



1)SCT型电容模块为一单元缓冲电容封装,构成图4(a)缓冲电路。适用于中、小电流容量的IGBT模块,以吸收高反峰瞬变电压。容量0.22μF-4.7μF,直流电压600V、1000V、1200V、1600V、2000V五档。其特点是,低介质损耗,低电感(<20 nH),有自修复能力,防火树脂封装,直接安装在IGBT模块上。

2)SCM型电容模块为一单元缓冲电容与缓冲二极管封装,与外接电阻构成图4(b)缓冲电路。适用于中、小电流容量的IGBT模块。根据缓冲电容位置的不同,有P型和N型之分:电容模块中缓冲电容与P母线相连的称P型,与N母线相连的称N型。N型电容模块适合于一或两单元IGBT模块。若用两个一单元IGBT模块串联并采用图4(c)缓冲电路,则P型并接P母线端IGBT模块,而N型并接N母线端 IGBT模块。容量范围0.47μF-2.0μF,直流电压600V、1200V两档。其特点是,低介质损耗,低电感量,缓冲电容与快恢二极管一体封装,有导线与外接电阻相连,防火树脂封装,直接安装在IGBT模块上。

3)SCC型电容模块为两单元缓冲电容与缓冲二极管封装,与外接电阻构成图4(c)缓冲电路。适用于大电流容量的两单元IGBT模块。容量0.47μF-2.0μF,直流电压600V、1200V两档。其特点是,低介质损耗,低电感量,高峰值电流,缓冲电容与超快恢二极管一体封装,有导线与外接电阻相连,防火树脂封装,直接安装在IGBT模块上。


5 结 语
以上简单地讨论和介绍 ,其目的是想引起读者对缓冲电路和缓冲电容选择问题的充分重视。在可能的情况下,最好选用适当的电容模块构成适当的缓冲电路,并直接安装在IGBT模块上。这样,莫名其妙损坏IGBT模块的机率,也许会小得多。





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