IGBT緩沖電容電路如何設(shè)計(jì)？
1 引言
眾所周知，在電力電子功率器件的應(yīng)用電路中，無一例外地都要設(shè)置緩沖電路，即吸收電路。因?yàn)槿?a target="_blank">控制器件在電路工作時(shí)莫名其妙損壞的原因雖然很多，但緩沖電路和緩沖電容選擇不當(dāng)是不可忽略的重要原因所在。
2 緩沖原理
電路中器件的損壞，一般都是在器件在開關(guān)過程中遭受了過大的di/dt，dv/dt或瞬時(shí)功耗的沖擊而造成的。緩沖電路的作用就是改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)時(shí)的過電壓，以降低器件開關(guān)損耗來確保器件的安全。
圖所示為GTR在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)的開關(guān)波形。不難看出，在開通和送斷過程中的某一時(shí)刻，GTR集電極電壓Uc和集電極電流ic將同時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)瞬時(shí)功耗也最大。加入緩沖電路可將這一開關(guān)功耗轉(zhuǎn)移到相關(guān)的電阻上消耗掉，從而達(dá)到保證器件安全運(yùn)行的目的。
通用的IGBT緩沖電路有如下圖所示的三種形式。 其中，圖（a）為單只低電感吸收電容構(gòu)成的緩沖電路，適用于小功率IGBT 模塊，用來對(duì)瞬變電壓有效時(shí)的低成本控制，使用時(shí)一般將其接在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(gòu)成的緩沖電路，適用于較小功率的IGBT模塊，緩沖二極管D可箝住瞬變電壓，以抑制由于母線寄存電感引起的寄存振蕩。其RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)周期的1/3，即τ=T/3=1/3f。圖4（c）為P型RCD和N型RCD構(gòu)成的緩沖電路，適用于大功率IGBT模塊，其功能類似于圖4
（b）緩沖電路，但其回路電感更小。若同時(shí)配合使用圖4（a）緩沖電路，則可減小緩沖二極管的應(yīng)力，從而使緩沖效果達(dá)到最佳。
IGBT采用緩沖電路后的典型關(guān)斷電壓波形如圖5所示。圖中，VCE起始部分的毛刺ΔV1是由緩沖電路的寄存電感和緩沖二極管的恢復(fù)過程引起的。其值由下式計(jì)算：
ΔV1=Lsdi/dt
XK推出新款高性能鍍金屬聚丙烯膜緩沖電容器---XK Roederstein MMKP81，該器件可直接安裝在絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊上，容量從0.047μF到10μF，可在+105℃高溫下工作，有700VDC～2500VDC和420VAC～800VAC共7個(gè)電壓等級(jí)。
MMKP81可承受2500V/μs的高能脈沖和1850A的峰值電流，壽命超過30萬小時(shí)，可減少由切換IGBT引起的電壓和電流尖峰，這種尖峰是電磁干擾（EMI）的重要來源。典型應(yīng)用包括功率轉(zhuǎn)換器、頻率轉(zhuǎn)換器，以及風(fēng)力機(jī)逆變器、中功率和高功率太陽(yáng)能逆變器、汽車動(dòng)力總成中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)還提供結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度58mm的器件，用于高功率IGBT模塊。
緩沖電容器的ESR低至1.5mΩ，容量公差±5 %，引線間隔的每毫米自感為0.7nH，RMS電流高達(dá)20A。器件采用阻燃塑料外殼和環(huán)氧樹脂密封，無鉛、無鹵素，符合RoHS指令。
IGBT功率模塊的電磁兼容性電路設(shè)計(jì)：
1.電磁干擾源
電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)是電力傳動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而電力電子器件則是其核心。由于拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性，電力電子器件處在大量的電磁干擾環(huán)境中。因此，為使電力電子器件穩(wěn)定工作，其電磁兼容性設(shè)計(jì)就顯得十分重要。近年來，使用了IGBT模塊的變頻器、UPS 等變換裝置需要適應(yīng)歐洲的CE標(biāo)志和國(guó)內(nèi)的VCCI標(biāo)準(zhǔn)。將EMI（電磁干擾）雜波（裝置在運(yùn)行中發(fā)生的具有傳導(dǎo)性和輻射性的EMI 雜波）控制在標(biāo)準(zhǔn)值水平以下的裝置設(shè)計(jì)成為非常重要的課題。由于IGBT模塊的每一次更新?lián)Q代，都通過特性改良在產(chǎn)品酶禱遠(yuǎn)化、低損耗化方面有所改進(jìn)。因此，IGBT在開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生高的dv/dt、di/dt，在很多情況下成為了產(chǎn)生輻射性EMI雜波的原因。這種輻射性EMI 雜波產(chǎn)生的原因，一般認(rèn)為是由于IGBT在開通（對(duì)置支路的FWD反向恢復(fù)）時(shí)產(chǎn)生的高dv/dt、di/dt，并在由半導(dǎo)體電子設(shè)備的結(jié)電容等雜散電容與配線上的寄生電感產(chǎn)生的高周波LC 共振而產(chǎn)生的。為了降低IGBT模塊在開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的輻射性EMI 雜波，通過重新設(shè)定驅(qū)動(dòng)條件使變換特性，特別是導(dǎo)通特性柔性（低速）化將是有效的。
通過加大柵極電阻，在變換特性得以柔性化時(shí)，測(cè)定輻射性EMI 雜波的特性。如果柵極電阻增加為標(biāo)準(zhǔn)柵極電阻的2倍左右，則能使輻射性EMI 雜波減低 l0dB以上。但是，如果通過對(duì)交換特性柔性化來抑制輻射性EMI 雜波，則變換損耗有增加的傾向，因此，重要的是在考慮與裝置運(yùn)轉(zhuǎn)條件和模塊冷卻條件等取得平衡的同時(shí)，來設(shè)定驅(qū)動(dòng)條件。輻射性EMI 雜波根據(jù)裝置的配線構(gòu)造、材質(zhì)、電路構(gòu)成等不同，其產(chǎn)生原因和干擾電平也不盡相同。
對(duì)由電力電子器件構(gòu)成的變換器進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)之前，必須分析預(yù)期的電磁環(huán)境，并從電磁干擾源，耦合途徑和敏感設(shè)備人手，找出其所處系統(tǒng)中存在的電磁干擾。然后有針對(duì)性地采取措施，就可以消除或抑制 電磁干擾。電力電子器件所處電磁環(huán)境中存霖河默『r擾源主要有：
1）高頻開關(guān)器件快速通斷形成大脈沖電流而引起的電磁干擾。
3）系統(tǒng)內(nèi)部及其周圍的強(qiáng)電元件造成的強(qiáng)電干擾。
4）電動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸線與其他傳輸線間的電容性耦合和電感性耦合引起的干擾。
5）由連續(xù)波干擾源等造成的空間輻射干擾。
系統(tǒng)中各個(gè)電子部件、功率器件都可能成為被干擾的敏感受擾設(shè)備，當(dāng)干擾信號(hào)電平低于系統(tǒng)門檻電平時(shí)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害。但若高于低限門檻電平時(shí)，就可能導(dǎo)致電子器件的明躑踢，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。干擾信號(hào)可以通過多種途徑從干擾源耦合到敏感受擾設(shè)備上，主要有4種方式：
1）傳導(dǎo)耦合。
2）公共阻抗耦合。
3）感應(yīng)耦合。
4）輻射耦合。
在電氣拖動(dòng)系統(tǒng)中，功率模塊在開關(guān)過程中出現(xiàn)高壓切換難以避免，同時(shí)電動(dòng)機(jī)定子電的dv/dt值很高，電動(dòng)機(jī)定子電流中的di/dt在開關(guān)切換時(shí)也很大，因此，通過感應(yīng)耦合和輻射耦合傳輸?shù)母蓴_最為嚴(yán)重。
2.控制電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)
變換器的控制電路由控制電源、主電路板（控制板和驅(qū)動(dòng)板）組成?？刂齐娫吹淖饔檬菫榭刂齐娐泛?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)電路提供工作電源，控制板的主要作用是接受上位機(jī)的給定指令，經(jīng)高速數(shù)字運(yùn)算產(chǎn)生功率模塊的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，并對(duì)來自驅(qū)動(dòng)板的反饋信號(hào)進(jìn)行處理。驅(qū)動(dòng)板的主要作用是接受來自控制板的功率模塊驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路控制功率模塊導(dǎo)通或關(guān)斷，同時(shí)將輸入電壓，輸入電流，輸出三相電流和溫度等反饋信號(hào)經(jīng)放大及濾波等環(huán)節(jié)后送給控制板進(jìn)行處理。
（1）控制電源的抗干擾設(shè)計(jì)
控制電源的穩(wěn)定性對(duì)控制 電路的穩(wěn)定工作至關(guān)重要。通?？刂?、驅(qū)動(dòng)電路的電源有：模信號(hào)電源；數(shù)字信號(hào)電源；運(yùn)算放大器電源?？刂齐娫吹碾姶偶嫒菪栽O(shè)計(jì)主要采取了以下幾種措施：
1）盡可能地縮短輸入輸出連線，并相互絞合，以減小“天線”效應(yīng)。
2）盡可能地縮短電源輸出端與負(fù)載間的距離，并增大連接導(dǎo)線的截面積，以減小連接電阻對(duì)負(fù)載調(diào)整率的影響。
3）在控制電源進(jìn)線端接電源濾波器，此濾波器采用了雙L型濾波，可有效減小由 電源進(jìn)線引入的傳導(dǎo)干擾。
4）在電源輸入端安裝維持電容，其作用是防止在控制 電路出現(xiàn)短路故障或其他因素導(dǎo)致輸入電壓瞬間跌落的意外時(shí)，維持電容可在一定時(shí)間內(nèi)給電路提供維持電壓，另外，還可吸收控制電路輸入端的電壓尖峰。
5）由于電源及其輸出配電線都會(huì)有一定的輸出電阻和輸出電感存在，因此，在模擬電路和高速數(shù)字電路的負(fù)載上并聯(lián)去耦電容；同時(shí)在負(fù)載上還并聯(lián)旁路電容，以獲得對(duì)中頻和高頻干擾信號(hào)的旁路作用，從而防止多個(gè)負(fù)載之間的相互干擾。
（2）控制、驅(qū)動(dòng)電路PCB設(shè)計(jì)
控制電路的印制電路板（ PCB）上有各種不同功能的電路，如模擬電路，數(shù)字電路，放大電路等，不同的電路相互之間存在電磁干擾。同時(shí)，印制線寄生電感產(chǎn)生的噪聲電壓也不容忽視。因此，PCB線路的合理設(shè)計(jì)可以有效地抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性?？刂齐娐稰CB的線路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：
1）根據(jù)電路功能要求，按功率大小，信號(hào)強(qiáng)弱與性質(zhì)等因素，進(jìn)行分區(qū)布置，以削弱它們之間的相互干擾。
2）本著減小導(dǎo)線的引線電感和導(dǎo)線間分布電容的原則，盡量減小導(dǎo)線的平行布線。
3）在考慮安全的條件下，電源線應(yīng)盡可能靠近地線，并遠(yuǎn)離信號(hào)線，以減小差模輻射的環(huán)路面積，也有助于減小電路的交擾。
4）信號(hào)線盡量靠近地線，信號(hào)線之間應(yīng)垂直布線，并遠(yuǎn)離大電流信號(hào)線及電源線。
5）模擬地、數(shù)字地、電源地等各自分開走，自成系統(tǒng)，然后輻射狀地匯集到一個(gè)公共接地點(diǎn)。
?。?）控制、驅(qū)動(dòng)電路的接地設(shè)計(jì)
接地設(shè)計(jì)有兩個(gè)基本目的：消除各支路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；避免受磁場(chǎng)和地電位差的影響，形成地環(huán)路。為達(dá)到以上目的，控制、驅(qū)動(dòng)電路的接地設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下幾項(xiàng)措施：
1）地線分流主要是通過結(jié)構(gòu)措施減少公共地阻抗造成的信號(hào)串 擾，根據(jù)地線分流原則，將強(qiáng)電地線和弱 電地線分開，數(shù)字 電路地線和模擬電路地線分開，安全地、信號(hào)地和噪聲地分開。
2）阻隔地環(huán)流主要是通過布局來減小交變磁場(chǎng)的感應(yīng)，輻射所造成的干擾，采用光電隔離器件來阻隔地環(huán)流。
3）金屬構(gòu)件（如散熱器等）與大地直接相連，以防止觸電事故，外界電磁場(chǎng)的干擾以及靜電等。
4）直流電源的反饋線應(yīng)當(dāng)絞和起來，以防止其接受外來的射頻能量。
5）靈活采用單點(diǎn)和多點(diǎn)接地。
（4）控制、驅(qū)動(dòng)電路的屏蔽設(shè)計(jì)
根據(jù)屏蔽體對(duì)電磁波的衰減機(jī)理，屏蔽效果主要由穿過屏蔽材料的衰減損耗決定。而穿過屏蔽材料的衰減損耗則由屏蔽材料的厚度以及材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率共同決定。采用2mm厚的鋼板制成封閉式機(jī)箱，在封閉式機(jī)箱內(nèi)驅(qū)動(dòng)板和控制板與功率模塊平行放置，中間加鋁板隔離。機(jī)箱起到屏蔽體的作用，經(jīng)測(cè)試，其屏蔽效能在100dB以上。機(jī)箱通過散熱器可靠接地，使得機(jī)箱屏蔽體同時(shí)具有靜電屏蔽和電磁屏蔽的作用，確保功率器件周圍的靜電場(chǎng)能量、直流磁場(chǎng)能量和50Hz 低頻磁場(chǎng)能量不侵入控制、驅(qū)動(dòng)電路中，同時(shí)，控制、驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)能量不擴(kuò)散出去。制約整體屏蔽效能的主要因素是屏蔽體上的縫隙及孔洞等結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。因此，在機(jī)箱的永久性接縫處采用焊接工藝密封；在機(jī)箱的非永久性接縫處加入實(shí)心導(dǎo)電橡膠條作為導(dǎo)電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性。
3．主電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)
主電路主要由功率模塊，功率母線，濾波電容器，吸收電容和接觸器等組成。設(shè)計(jì)中應(yīng)針對(duì)變換器的輸出功率、開關(guān)工作頻率、變換器工作環(huán)境等因素，對(duì)變換器主電路的電磁兼容性作詳細(xì)整體的設(shè)計(jì)。
?。?）功率母線設(shè)計(jì)
在功率模塊的開關(guān)過程中，浪涌電壓的出現(xiàn)在所難免。主要有關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。浪涌電壓會(huì)導(dǎo)致很高的瞬態(tài)電壓，從而可能導(dǎo)致功率模塊的損壞。浪涌電壓的能量與1/2（LSI2C）成比例（LS是母線的寄生電感，IC是功率模塊工作電流）。在使用大電流器件時(shí)，為了降低浪涌電壓的影響，需要降低功率電路的電感。這就需要一種特殊的母線結(jié)構(gòu)來適應(yīng)大電流工作的低母線電感電路。因此，變換器的功率母線采用雙層鍍錫銅板迭加技術(shù)。這種平板式結(jié)構(gòu)起到了防止功率電路中寄生電感的作用。同時(shí)，為了使母線電感盡量達(dá)到最小，采用寬平正、負(fù)母線極板把功率模塊與濾波電容器直接連接。其布局如圖1所示。
圖1 逆變器主電路結(jié)構(gòu)示意圖
主電路配線的電阻部分對(duì)電流分配帶來的影響，與集電極側(cè)的電阻部分比較，發(fā)射極側(cè)的電阻部分上的這種影響更大。主電路配線中有電阻部分時(shí)，由于IGBT的輸出特性趨勢(shì)變得平緩，因此，集電極電流減少。另外，該電阻部分由于有集電極電流流過，產(chǎn)生電位差，實(shí)際的門極—發(fā)射間的電壓變?。?VGE=V- VE），也使IGBT的輸出特性產(chǎn)生變化，集電極電流減少。因此，如果REl》 RE2，由于IGBT的輸出特性的變緩，形成IC1 《IC2，產(chǎn)生電流分配不均衡。為了降低這種不平衡，集電極側(cè)的配線需要盡量縮短并均等化。IGBT開通、關(guān)斷時(shí)的電流不均衡原因有元件特性不均性和主電路配線電感不均性2種。
1）元件特性的不均性。由于IGBT變換時(shí)的電流不均衡基本上可認(rèn)為是導(dǎo)通狀態(tài)的電流不均衡，因此控制了導(dǎo)通狀態(tài)下的電流不均衡，就能同時(shí)控制變換時(shí)的電流不均衡。
2）主電路配線電感不均性，主電路配線電感不均性對(duì)電流分配有影響的與主電路電阻部分的情況相同，IGBT進(jìn)行變換時(shí)，由于集電極電流變化劇烈，在電感的兩端產(chǎn)生電壓。由于這種電壓的極性是傾向于阻礙變換工作的，這樣就使變換時(shí)間增加。因此，在電感不均衡的情況下變換時(shí)間會(huì)產(chǎn)生偏差，使電流集中在某個(gè)元件上。為了降低這種不平衡；發(fā)射極側(cè)的配線需要盡量縮短，并且分別均等化。
?。?）濾波電容器設(shè)計(jì)
功率電路需要電感量極低的濾波電路，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，如果要把功率模塊兩端的過電壓限制在100V以內(nèi)，其直流母線的電感應(yīng)限制在12.7μH以下，濾波電路才能很好地發(fā)揮作用。因此，應(yīng)在變換器的母線輸入端設(shè)置了濾波電容器。該濾波電容器應(yīng)與功率模塊平行布置，電容器的正負(fù)極直接與輸入輸出母線相連，如圖1所示。
4．功率模塊的電磁兼容性設(shè)計(jì)
?。?）功率模塊的優(yōu)化布局
變換器主電路在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨輸入輸出母線中通過電流的強(qiáng)弱而變化，同時(shí)，功率模塊產(chǎn)生的空間交變電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨其兩端電壓和電流突變的劇烈程度而變化。這些干擾信號(hào)很容易耦合到功率模塊的驅(qū)動(dòng)線上。通過合理的布局，可以使在功率驅(qū)動(dòng)端附近和驅(qū)動(dòng)線一帶的空間交變電磁場(chǎng)強(qiáng)度最小，即干擾信號(hào)最小。在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下措施：
1）從濾波電容到功率模塊的直流連接件采用雙層鍍錫銅板迭加技術(shù)。
2）輸人輸出母線與外部直流輸入端和外部交流輸出端采用銅母線連接。
這種結(jié)構(gòu)不僅可以減小寄生電感，而且對(duì)于功率模塊產(chǎn)生的空間交變電磁場(chǎng)起到了很好的屏蔽作用。
?。?）功率模塊的接地設(shè)計(jì)
當(dāng)功率模塊的柵極驅(qū)動(dòng)或控制信號(hào)與主電流共用一個(gè)接地回路時(shí)，在開關(guān)過渡過程中，具有很高的di/dt，使功率電路漏電感上有感應(yīng)電壓存在。一 旦這種情況發(fā)生，電路中的“地”電位各點(diǎn)實(shí)際上會(huì)處于高于“地電位”幾伏的電位上。這個(gè)電壓會(huì)出現(xiàn)在功率模塊的柵極，而使功率模塊有可能誤導(dǎo)通。為了避免這個(gè)問題的發(fā)生，需要慎重考慮柵極驅(qū)動(dòng)與控制電路的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取以下措施：
1）下橋臂每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路都采用了分離絕緣措施，且各自的電源地線接在功率模塊的輔助端子上，不與主電流共用電流支路，以消除接地回路噪聲問題；
在功率器件關(guān)斷期間，使用負(fù)的反向偏置電壓，以避免噪聲干擾。