CDE无感吸收电容器的应用

摘 要：简要讨论了IGBT模块缓冲电路的有关问题，并介绍了美国CDE电容模块在缓冲电路中的应用。
关键词：IGBT 缓冲电路 电容模块
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
       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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   参考文献：
[1] 张立等.现代电力电子技术.北京:科学出版社,1995.
[2] 三菱电机公司.第三代IGBT和智能功率模块应用手册.培训教材,1998.
[3] 美CDE公司.电容产品数据手册5.001-5.006.产品样本.1999.
     
     作者简介：
     舒正国 男，1943年生，高工，从事电力电子功率器件应用、推广及技术支持工作。
     罗运强 男，1963年生，理工学硕士，高级工程师，现任同牧机电董事长兼总经理。