美国CDE电容模块在缓冲电路中的应用

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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。