摘 要：簡要討論了IGBT模塊緩沖電路的有關問題，并介紹了美國CDE電容模塊在緩沖電路中的應用。 關鍵詞：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用電路中，無一例外地都要設置緩沖電路，即吸收電路。一些初次應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過程中遭受了過量di/dt、dv/dt或瞬時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軌跡，控制各種瞬態過電壓，降低器件開關損耗，保護器件安全運行。 [align=center] [/align] 圖1所示為GTR驅動感性負載時的開關波形。不難看出，在開通和關斷過程中的某一時刻，GTR集電極電壓uc 和集電極電流 ic 將同時達到最大值，因而瞬時功耗也最大。加入緩沖電路，可將開關功耗轉移到相關電阻上消耗掉，達到了保證器件安全運行的目的。 典型復合式緩沖電路如圖2。當GTR 關斷時，負載電流經緩沖二極管D向緩沖電容C充電，同時集電極電流 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 同時達到最大值。GTR集電極母線電感以及緩沖電路及其元件內部的雜散電感，在GTR開通時儲存的能量1/2 LI2，這時轉換成1/2 CV2儲存在緩沖電容C中。當GTR 開通時，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 同時達到最大值。此時，緩沖電容C通過外接電阻R和GTR開關放電，其儲存的開關能量也隨之在外接電阻和電路、元件內部電阻上消耗掉。如此，便將GTR運行時產生的開關損耗，轉移到緩沖電路，最后在相關電阻上以熱的形式消耗掉，從而保護了GTR安全運行。 [align=center] 圖3 GTR電流、電壓關斷波形[/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、電壓關斷波形。圖3（a）為無緩沖電容時的波形，圖3（b）為緩沖電容C 容量較小時的波形，圖3（c）為緩沖電容C 容量較大時的波形。不難看出，無緩沖電容時，集電極電壓上升時間極短，致使電流、電壓同時達到最大，因而瞬時功耗最大。緩沖電容C 容量較小時，集電極電流下降至零之前，其電壓已上升至電源值，瞬時功耗較大。緩沖電容C 容量較大時，集電極電流下降至零之后，其電壓才上升至電源值。瞬時功耗較小。 [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成的緩沖電路，適用于小功率IGBT模塊，用作對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時間常數應設計為開關周期的1/3，即τ=T/3=1/3f 。圖4（c）為P型RCD和N型RCD構成的緩沖電路，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。若同時配合使用圖4（a）緩沖電路，還能減小緩沖二極管的應力，使緩沖效果更好。 [align=center] 圖5 采用緩沖電路后IGBT關斷電壓波形 [/align] IGBT采用緩沖電路后典型關斷電壓波形如圖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過程引起的。其值由下式計算： ΔV1=LS×di/dt （式1） 式中LS為緩沖電路的寄生電感，di/dt為關斷瞬間或二極管恢復瞬間的電流上升率，其最惡劣的值接近0.02 ic （A/ns）。 如果ΔV1已被設定，則可由（式1）確定緩沖電路允許的最大電感量。例如，設某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，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部的雜散電感，在IGBT開通時儲存的能量要轉儲在緩沖電容中，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針對不同直流母線電感量，列出緩沖電容的推薦值。該表是設定ΔV2≤100V時由（式2）計算得出的。 還有一種經驗估算的辦法，通常以每100A集電極電流約取1μF緩沖電容值。這樣得到的值，對于很好的控制瞬態電壓是充分的。 4 美CDE電容模塊在緩沖電路中的應用 從第3節的討論得知，母線電感以及緩沖電路及其元件內部的雜散電感，對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IGBT安全運行。 美CDE是一家老牌跨國公司，其電容產品因品質優越為美國家宇航局選用，隨航天器而播譽太空。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，其選型參數見表2。 1）SCT型電容模塊為一單元緩沖電容封裝，構成圖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。其特點是，低介質損耗，低電感（<20 nH），有自修復能力，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，與外接電阻構成圖4（b）緩沖電路。適用于中、小電流容量的IGBT模塊。根據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。若用兩個一單元IGBT模塊串聯并采用圖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。其特點是，低介質損耗，低電感量，緩沖電容與快恢二極管一體封裝，有導線與外接電阻相連，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。其特點是，低介質損耗，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 語 以上簡單地討論和介紹 ，其目的是想引起讀者對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，最好選用適當的電容模塊構成適當的緩沖電路，并直接安裝在IGBT模塊上。這樣，莫名其妙損壞IGBT模塊的機率，也許會小得多。 詳情請參閱相關網http://www.capacitor.net.cn 參考文獻： [1] 張立等.現代電力電子技術.北京:科學出版社,1995. [2] 三菱電機公司.第三代IGBT和智能功率模塊應用手冊.培訓教材,1998. [3] 美CDE公司.電容產品數據手冊5.001-5.006.產品樣本.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用、推廣及技術支持工作。 羅運強 男，1963年生，理工學碩士，高級工程師，現任同牧機電董事長兼總經理。