美国CDE电容模块在缓冲电路中的应用

美国CDE电容模块在缓冲电路中的应用 1引言 众所周知，在电力电子器件的应用电路中，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：器件莫名其妙地损坏了。虽然损坏的原因颇多，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，GTR集电极电压uc和集电极电流ic将同时出现，因而开关功耗大。加入缓冲电路，可将部分开关功耗转移到缓冲电路上，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Cs充电，同时集电极电流ic逐渐减少。由于电容Cs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，降低了GTR的电压应力，同时集电极电流转移到了缓冲电路，从而降低了关断功耗。GTR集电极母线电感以及杂散电感，在GTR开通时储存的能量LI2/2，这时转换成CsVcs2/2储存在缓冲电容Cs中。当GTR开通时，集电极母线电感和其他杂散电感以及Rs对Cs放电的限流作用，有效地限制了GTR集电极电流上升率di/dt，降低了GTR的电流应力，同样也降低了开通功耗。这样，缓冲电路不仅降低了开关器件的开关损耗，而且降低了器件所承受的电压、电流应力，从而保护了GTR安全运行。 缓冲电容Cs容量不同，其缓冲效果也不相同。图3给出了不同容量下GTR电流、电压关断波形。图3（a） 图1GTR的开关波形 图2复合式缓冲电路 图3GTR电流、电压关断波形 (a)无缓冲电容(b)缓冲电容较小(c)缓冲电容过大 图4通用的三种IGBT缓冲电路(a)SCD型(b)SCM型(c)SCC型 为无缓冲电容时的波形，图3（b）为缓冲电容Cs容量较小时的波形，图3（c）为缓冲电容Cs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和集电极电流下降时间极短，致使关断功耗大。缓冲电容Cs容量较小时，集电极电压上升较快，关断功耗也较大。缓冲电容Cs容量较大时，集电极电压上升较慢，关断功耗较小。 3IGBT缓冲电路 通用的IGBT缓冲电路有三种形式，如图4所示。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可箝制瞬变电压，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。 IGBT采用缓冲电路后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（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0.02Ic（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=8A/ns 由式（1）得 LS=ΔV1/（di/dt）=100/8=12.5nH 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 LPI2/2=CΔV22/2（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 图5采用缓冲电路后IGBT关断电压波形 （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 好地控制瞬态电压是充分的。 4美国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：有用分立件连接的；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，并随航天器而享誉太空。CDE公司的缓冲电容模块能充分满足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SCD、SCM和SCC三种类型，其选型参数见表2。 （1）SCD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，直流电压分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，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，即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，N型并接N母线端IGBT模块。容量范围0.47μF～2.0μF，直流电压分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，直流电压分600V、1200V两档。其特点是，低介质损耗，低电感量，高峰值电流，缓冲电容与超快恢复二极管一体封装，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 以上简单的讨论和介绍，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 模块型号 推荐设计值 　 主母线电感(nH) 缓冲电路类型 缓冲电路回路电感(nH) 缓冲电容（μF） 缓冲二极管 10A?50A六合一或七合一型 200 图4(a) 20 0.1～0.47 　 75A?200A六合一或七合一型 100 图4(a) 20 0.6～2.0 　 50A?200A双单元 100 图4（b） 20 0.47～2.0 　 300A?600A双单元 50 图4（b） 20 3.0～6.0 　 200A?300A一单元 50 图4（c） 30～15 0.47 600V:RM50HG?12S1200V:RM25HG?24S 400A一单元 50 图4（c） 12 1.0 600V:RM50HG?12S1200V:RM25HG?24S（2个并联） 600一单元 50 图4（c） 8 2.0 600V:RM50HG?12S（2个并联）1200V:RM25HG?24S（3个并联） 表1缓冲电路和功率电路设计推荐值 型式 型号 说明 电压(Vdc) 电容值(μF) dv/dt(V/μs) 峰值电流(A) 均方根电流(A) 页码 IGBT缓冲电容模块 SCD 聚丙烯电容，<20nH,预留23mm～28mm导线 600～2000 0.22～4.7 150～800 118～1200 upto50A 5.002 　 SCM 聚丙烯电容和超快恢复二极管，<20nH,预留23mm～28mm导线 600～1200 0.47～2 150～600 300～1000 upto50A 5.004 　 SCC 2聚丙烯电容和超快恢复二极管，<20nH,预留23mm～28mm导线，双IGBT 600～1200 0.47～2 150～600 300～500 upto50A 5.006 表2电容模块选型表 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模块的几率，也许会小得多。详情请参阅相关网站http://www.capacitor.net.cn http://www.igbt.com.cn