摘 要：簡要討論了IGBT模塊緩沖電路的有關(guān)問題，并介紹了美國CDE電容模塊在緩沖電路中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：IGBT 緩沖電路 電容模塊 Application of Capacitor Modules of American CDE Co.in Snubber Circuit Abstract: Briefly discuss about IGBT modules in snubber circuit and introduce application of capacitor modules of American CDE Co. in snubber circuit Key words: IGBT Snubber Circuit Capacitor Modules 1 引 言 眾所周知，在電力電子功率器件的應(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：器件莫名其妙損壞。雖然原因頗多，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(shí)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(hù)器件安全運(yùn)行。 [align=center] [/align] 圖1所示為GTR驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)的開關(guān)波形。不難看出，在開通和關(guān)斷過程中的某一時(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，因而瞬時(shí)功耗也最大。加入緩沖電路，可將開關(guān)功耗轉(zhuǎn)移到相關(guān)電阻上消耗掉，達(dá)到了保證器件安全運(yùn)行的目的。 典型復(fù)合式緩沖電路如圖2。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集電極電壓上升率dv/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。GTR集電極母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感，在GTR開通時(shí)儲(chǔ)存的能量1/2 LI2，這時(shí)轉(zhuǎn)換成1/2 CV2儲(chǔ)存在緩沖電容C中。當(dāng)GTR 開通時(shí)，集電極母線電感以及其他雜散電感，又有效地限制了GTR集電極電流上升率di/dt，同樣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。此時(shí)，緩沖電容C通過外接電阻R和GTR開關(guān)放電，其儲(chǔ)存的開關(guān)能量也隨之在外接電阻和電路、元件內(nèi)部電阻上消耗掉。如此，便將GTR運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)損耗，轉(zhuǎn)移到緩沖電路，最后在相關(guān)電阻上以熱的形式消耗掉，從而保護(hù)了GTR安全運(yùn)行。 [align=center] 圖3 GTR電流、電壓關(guān)斷波形[/align] 緩沖電容C容量不同，其緩沖效果也不相同。圖3畫出了不同容量下GTR電流、電壓關(guān)斷波形。圖3（a）為無緩沖電容時(shí)的波形，圖3（b）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)功耗較大。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。瞬時(shí)功耗較小。 [align=center] 圖4 通用的三種IGBT緩沖電路 [/align] 3 IGBT緩沖電路 通用的IGBT緩沖電路有三種形式，如圖4 。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(duì)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可箝住瞬變電壓，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(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)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(shí)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。 [align=center] 圖5 采用緩沖電路后IGBT關(guān)斷電壓波形 [/align] IGBT采用緩沖電路后典型關(guān)斷電壓波形如圖5 。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(jì)算： ΔV1=LS×di/dt （式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0.02 ic （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=8（A/ns） 由（式1）得 LS=ΔV1 /（di/dt）=100/8=12.5（nH） 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(shí)儲(chǔ)存的能量要轉(zhuǎn)儲(chǔ)在緩沖電容中，因此有 1/2LPi2=1/2CΔV22 （式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(duì)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(shí)由（式2）計(jì)算得出的。 還有一種經(jīng)驗(yàn)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(duì)于很好的控制瞬態(tài)電壓是充分的。 4 美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(duì)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：有用分離件連接的；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(hù)IGBT安全運(yùn)行。 美CDE是一家老牌跨國公司，其電容產(chǎn)品因品質(zhì)優(yōu)越為美國家宇航局選用，隨航天器而播譽(yù)太空。CDE公司的緩沖電容模塊就能充分滿足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SCT、SCM和SCC三型，其選型參數(shù)見表2。 1）SCT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600V、1000V、1200V、1600V、2000V五檔。其特點(diǎn)是，低介質(zhì)損耗，低電感（<20 nH），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：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(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型并接N母線端 IGBT模塊。容量范圍0.47μF-2.0μF，直流電壓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600V、1200V兩檔。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，防火樹脂封裝，直接安裝在IGBT模塊上。 5 結(jié) 語 以上簡單地討論和介紹 ，其目的是想引起讀者對(duì)緩沖電路和緩沖電容選擇問題的充分重視。在可能的情況下，最好選用適當(dāng)?shù)碾娙菽K構(gòu)成適當(dāng)?shù)木彌_電路，并直接安裝在IGBT模塊上。這樣，莫名其妙損壞IGBT模塊的機(jī)率，也許會(huì)小得多。 詳情請(qǐng)參閱相關(guān)網(wǎng)http://www.capacitor.net.cn 參考文獻(xiàn)： [1] 張立等.現(xiàn)代電力電子技術(shù).北京:科學(xué)出版社,1995. [2] 三菱電機(jī)公司.第三代IGBT和智能功率模塊應(yīng)用手冊(cè).培訓(xùn)教材,1998. [3] 美CDE公司.電容產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)5.001-5.006.產(chǎn)品樣本.1999. 作者簡介： 舒正國 男，1943年生，高工，從事電力電子功率器件應(yīng)用、推廣及技術(shù)支持工作。 羅運(yùn)強(qiáng) 男，1963年生，理工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任同牧機(jī)電董事長兼總經(jīng)理。