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美国CDE电容模块在缓冲电路中的应用 Application of Capacitor Modules of American CDE Co.in Snubber Circuit 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。 Abstract: Briefly discuss about IGBT modules in snubber circuit and introduce application of capacitor modules of American CDE Co. in snubber circuit 叙词：IGBT 缓冲电路 电容模块 Keywords: 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。 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。 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。 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。 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