电容模块在缓冲电路中的应用

    摘要：讨论了IGBT模块缓冲电路的缓冲原理，给出了三种通用的IGBT缓冲电容，并介绍了美国CDE公司的三种电容模块的基本参数和特点以及在缓冲电路中的应用。

    1 引言

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。因为全控制器件在电路工作时莫名其妙损坏的原因虽然很多，但缓冲电路和缓冲电容选择不当是不可忽略的重要原因所在。

2 缓冲原理

电路中器件的损坏，一般都是在器件在开关过程中遭受了过大的di/dt、du/dt或瞬时功耗的冲击而造成的。缓冲电路的作用就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态时的过电压，以降低器件开关损耗来确保器件的安全。

图1所示为GTR在驱动感性负载时的开关波形。不难看出，在开通和送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，此时瞬时功耗也最大。加入缓冲电路可将这一开关功耗转移到相关的电阻上消耗掉，从而达到保证器件安全运行的目的。

典型复合式缓冲电路如图2所示。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上集电极电压的上升率du/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。而GTR集电极上的母线电感以及缓冲电路元件内部的杂散电感在GTR开通时储存的能量LI2/2，将转换成CV2/2储存在缓冲电容C中。因此当GTR开通时，集电极母线电感以及其它杂散电感，又有效地限制了GTR集电极上的电流上升率di/dt，从而也避免了集电极电压Uc和集电极电流ic同时达到最大值。这样，缓冲电容C通过外接电阻R和GTR开关放电，以使其储存的开关能量在外接电阻和电路元件内部电阻上消耗掉。从而将GTR运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路，并在相关电阻上以热的形式消耗掉，经达到保护GTR安全运行的目的。

缓冲电容C的容量不同，其缓冲效果也不相同。图3画出了不同容量下GTR电容、电压的关断为缓冲电容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。因而瞬时功耗较小。

3 IGBT缓冲电路

通用的IGBT缓冲电路有图4所示的三种形式。其中，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，用来对瞬变电压有效时的低成本控制，使用时一般将其接在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，适用于较小功率的IGBT模块，缓冲二极管D可箝住瞬变电压，以抑制由于母线寄存电感引起的寄存振荡。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，其功能类似于图4（b）缓冲电路，但其回路电感更小。若同时配合使用图4(a)缓冲电路，则可减小缓冲二极管的应力，从而使缓冲效果达到最佳。

IGBT采用缓冲电路后的典型关断电压波形如图5所示。图中，VCE起始部分的毛刺ΔV1是由缓冲电路的寄存电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。其值由下式计算：

ΔV1=Lsdi/dt

式中，Ls为缓冲电路的寄存电感，di/dt为关断瞬间或二极管恢复皮瞬间的电流上升率，其最恶劣的值接近0.02ic(A/ns)。

如果ΔV1已被设定，则可确定缓冲电路允许的最大电感量Ls。如某IGBT电路的工作电流峰值为400A，ΔV1≤100V，可算出在最恶劣情况下的Ls：

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

图中的ΔV2是在缓冲电容充电时，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，根据能量守恒定律，母线电感以及缓冲电路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：

Lpi2/2=ΔV2C2/2

式，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，同可确定缓冲电容的值。不难看出，大功率IGBT电路要求母线电感以及缓冲电路元件内部的杂散电感愈小愈好。这不仅可以降低ΔV1，而且可以减小缓电容C的值，从而降低成本。

表1是针对不同直流母线电感量列出的缓冲电容的推荐值。该表是在ΔV2≤100V时算出的。也可以使用经验估算的办法来确定电容值，通常每100A集电极电流约取1μF缓冲电容值。这样得到的值，也能较好的控制瞬态电压。

表1 不同直流母线电感时的缓冲电容推荐值

4 CDE在缓冲电路中的应用

从以上讨论得知，母线电感以及缓冲电路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，设计时希望它愈小愈好。但要减小这些电感，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和与IGBT相匹配的快速缓冲二极管，并应选用无感泄放电阻；第四，采用其它有效措施。目前，缓冲电路的制作工艺也有多种方式，其中有用分离件连接时，有通过印艺制版连接的；更有用缓冲电容模块直接安装有IGBT模块上的。显然，最后一种方式因符合上述第二、三种降感措施，因而缓冲效果最好，可以最大限制地保证IGBT安全运行。

美国CDE是一家老牌跨国公司，其电容产品因品质优越而为美国国家宇航局选用。CDE公司的缓冲电容模块能够充分满足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SCD、SCM和SCC三种，其选型参数如表2所列。

SCD型电容模块为一单元缓冲电容封装，适用于4（a）缓冲电路。可在中、小电流容量的IGBT模块中吸收高反峰瞬变电压。其容量为0.22μF～4.7μF,直流电压分为600V、1000V、1200V、1600V、2000V五档。其特点是低介质损耗，低电感（<20nH），有自修复能力，采用防火树脂封装，可直接安装在IGBT模块上。

SCM型电容模块为一单元缓冲电容与缓冲二极管封装，可与外接电阻构成图4（b）缓冲电路。适宜竽中、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。其用两个一单元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型应并接N母线端IGBT模块。该电容模块的容量范围为0.47μF～2.0μF，直流电压分为600V、1200V两档。其特点是低介质损耗，低电感量，缓冲电容与快恢复二极管在一体，有导线与外接电阻相连，采用防火树脂封装，可直接安装在IGBT模块上。

SCC型电容模块为两单元缓冲电容与缓二极管封装，可与外接电阻构成图4（c）缓冲电路。适用于大电流容量的两单元IGBT模块。容量在0.47μV～2.0μV，直流电压分为600V、1200V两棣。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，采用防火树脂封装，可直接安装在IGBT模块上。