IGBT緩沖電容電路如何設計？
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。因為全控制器件在電路工作時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過程中遭受了過大的di/dt，dv/dt或瞬時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軌跡，控制各種瞬態時的過電壓，以降低器件開關損耗來確保器件的安全。
圖所示為GTR在驅動感性負載時的開關波形。不難看出，在開通和送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，此時瞬時功耗也最大。加入緩沖電路可將這一開關功耗轉移到相關的電阻上消耗掉，從而達到保證器件安全運行的目的。
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成的緩沖電路，適用于小功率IGBT 模塊，用來對瞬變電壓有效時的低成本控制，使用時一般將其接在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，其功能類似于圖4
（b）緩沖電路，但其回路電感更小。若同時配合使用圖4（a）緩沖電路，則可減小緩沖二極管的應力，從而使緩沖效果達到最佳。
IGBT采用緩沖電路后的典型關斷電壓波形如圖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過程引起的。其值由下式計算：
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個電壓等級。
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，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。典型應用包括功率轉換器、頻率轉換器，以及風力機逆變器、中功率和高功率太陽能逆變器、汽車動力總成中的電機驅動。同時還提供結構長度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20A。器件采用阻燃塑料外殼和環氧樹脂密封，無鉛、無鹵素，符合RoHS指令。
IGBT功率模塊的電磁兼容性電路設計：
1.電磁干擾源
電動機及其控制系統是電力傳動的關鍵技術之一，而電力電子器件則是其核心。由于拖動系統運行環境的復雜性，電力電子器件處在大量的電磁干擾環境中。因此，為使電力電子器件穩定工作，其電磁兼容性設計就顯得十分重要。近年來，使用了IGBT模塊的變頻器、UPS 等變換裝置需要適應歐洲的CE標志和國內的VCCI標準。將EMI（電磁干擾）雜波（裝置在運行中發生的具有傳導性和輻射性的EMI 雜波）控制在標準值水平以下的裝置設計成為非常重要的課題。由于IGBT模塊的每一次更新換代，都通過特性改良在產品酶禱遠化、低損耗化方面有所改進。因此，IGBT在開通和關斷時產生高的dv/dt、di/dt，在很多情況下成為了產生輻射性EMI雜波的原因。這種輻射性EMI 雜波產生的原因，一般認為是由于IGBT在開通（對置支路的FWD反向恢復）時產生的高dv/dt、di/dt，并在由半導體電子設備的結電容等雜散電容與配線上的寄生電感產生的高周波LC 共振而產生的。為了降低IGBT模塊在開通和關斷時產生的輻射性EMI 雜波，通過重新設定驅動條件使變換特性，特別是導通特性柔性（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，測定輻射性EMI 雜波的特性。如果柵極電阻增加為標準柵極電阻的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轉條件和模塊冷卻條件等取得平衡的同時，來設定驅動條件。輻射性EMI 雜波根據裝置的配線構造、材質、電路構成等不同，其產生原因和干擾電平也不盡相同。
對由電力電子器件構成的變換器進行電磁兼容性設計之前，必須分析預期的電磁環境，并從電磁干擾源，耦合途徑和敏感設備人手，找出其所處系統中存在的電磁干擾。然后有針對性地采取措施，就可以消除或抑制 電磁干擾。電力電子器件所處電磁環境中存霖河默『r擾源主要有：
1）高頻開關器件快速通斷形成大脈沖電流而引起的電磁干擾。
3）系統內部及其周圍的強電元件造成的強電干擾。
4）電動機動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）由連續波干擾源等造成的空間輻射干擾。
系統中各個電子部件、功率器件都可能成為被干擾的敏感受擾設備，當干擾信號電平低于系統門檻電平時，不會對系統造成危害。但若高于低限門檻電平時，就可能導致電子器件的明躑踢，對系統產生干擾。干擾信號可以通過多種途徑從干擾源耦合到敏感受擾設備上，主要有4種方式：
1）傳導耦合。
2）公共阻抗耦合。
3）感應耦合。
4）輻射耦合。
在電氣拖動系統中，功率模塊在開關過程中出現高壓切換難以避免，同時電動機定子電的dv/dt值很高，電動機定子電流中的di/dt在開關切換時也很大，因此，通過感應耦合和輻射耦合傳輸的干擾最為嚴重。
2.控制電路的電磁兼容性設計
變換器的控制電路由控制電源、主電路板（控制板和驅動板）組成。控制電源的作用是為控制電路和驅動電路提供工作電源，控制板的主要作用是接受上位機的給定指令，經高速數字運算產生功率模塊的驅動控制信號，并對來自驅動板的反饋信號進行處理。驅動板的主要作用是接受來自控制板的功率模塊驅動控制信號，經功率驅動電路控制功率模塊導通或關斷，同時將輸入電壓，輸入電流，輸出三相電流和溫度等反饋信號經放大及濾波等環節后送給控制板進行處理。
（1）控制電源的抗干擾設計
控制電源的穩定性對控制 電路的穩定工作至關重要。通常控制、驅動電路的電源有：模信號電源；數字信號電源；運算放大器電源。控制電源的電磁兼容性設計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。
2）盡可能地縮短電源輸出端與負載間的距離，并增大連接導線的截面積，以減小連接電阻對負載調整率的影響。
3）在控制電源進線端接電源濾波器，此濾波器采用了雙L型濾波，可有效減小由 電源進線引入的傳導干擾。
4）在電源輸入端安裝維持電容，其作用是防止在控制 電路出現短路故障或其他因素導致輸入電壓瞬間跌落的意外時，維持電容可在一定時間內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字電路的負載上并聯去耦電容；同時在負載上還并聯旁路電容，以獲得對中頻和高頻干擾信號的旁路作用，從而防止多個負載之間的相互干擾。
（2）控制、驅動電路PCB設計
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，印制線寄生電感產生的噪聲電壓也不容忽視。因此，PCB線路的合理設計可以有效地抑制電磁干擾，提高系統的可靠性。控制電路PCB的線路設計應遵循以下原則：
1）根據電路功能要求，按功率大小，信號強弱與性質等因素，進行分區布置，以削弱它們之間的相互干擾。
2）本著減小導線的引線電感和導線間分布電容的原則，盡量減小導線的平行布線。
3）在考慮安全的條件下，電源線應盡可能靠近地線，并遠離信號線，以減小差模輻射的環路面積，也有助于減小電路的交擾。
4）信號線盡量靠近地線，信號線之間應垂直布線，并遠離大電流信號線及電源線。
5）模擬地、數字地、電源地等各自分開走，自成系統，然后輻射狀地匯集到一個公共接地點。
（3）控制、驅動電路的接地設計
接地設計有兩個基本目的：消除各支路電流流經公共地線時所產生的噪聲電壓；避免受磁場和地電位差的影響，形成地環路。為達到以上目的，控制、驅動電路的接地設計中應采取以下幾項措施：
1）地線分流主要是通過結構措施減少公共地阻抗造成的信號串 擾，根據地線分流原則，將強電地線和弱 電地線分開，數字 電路地線和模擬電路地線分開，安全地、信號地和噪聲地分開。
2）阻隔地環流主要是通過布局來減小交變磁場的感應，輻射所造成的干擾，采用光電隔離器件來阻隔地環流。
3）金屬構件（如散熱器等）與大地直接相連，以防止觸電事故，外界電磁場的干擾以及靜電等。
4）直流電源的反饋線應當絞和起來，以防止其接受外來的射頻能量。
5）靈活采用單點和多點接地。
（4）控制、驅動電路的屏蔽設計
根據屏蔽體對電磁波的衰減機理，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率和磁導率共同決定。采用2mm厚的鋼板制成封閉式機箱，在封閉式機箱內驅動板和控制板與功率模塊平行放置，中間加鋁板隔離。機箱起到屏蔽體的作用，經測試，其屏蔽效能在100dB以上。機箱通過散熱器可靠接地，使得機箱屏蔽體同時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能量、直流磁場能量和50Hz 低頻磁場能量不侵入控制、驅動電路中，同時，控制、驅動電路中產生的高頻電磁場能量不擴散出去。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構的不連續性。因此，在機箱的永久性接縫處采用焊接工藝密封；在機箱的非永久性接縫處加入實心導電橡膠條作為導電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性。
3．主電路的電磁兼容性設計
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。設計中應針對變換器的輸出功率、開關工作頻率、變換器工作環境等因素，對變換器主電路的電磁兼容性作詳細整體的設計。
（1）功率母線設計
在功率模塊的開關過程中，浪涌電壓的出現在所難免。主要有關斷浪涌電壓和續流二極管恢復浪涌電壓。浪涌電壓會導致很高的瞬態電壓，從而可能導致功率模塊的損壞。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，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構來適應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。這種平板式結構起到了防止功率電路中寄生電感的作用。同時，為了使母線電感盡量達到最小，采用寬平正、負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 逆變器主電路結構示意圖
主電路配線的電阻部分對電流分配帶來的影響，與集電極側的電阻部分比較，發射極側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，由于IGBT的輸出特性趨勢變得平緩，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，產生電位差，實際的門極—發射間的電壓變小（ VGE=V- VE），也使IGBT的輸出特性產生變化，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，產生電流分配不均衡。為了降低這種不平衡，集電極側的配線需要盡量縮短并均等化。IGBT開通、關斷時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變換時的電流不均衡基本上可認為是導通狀態的電流不均衡，因此控制了導通狀態下的電流不均衡，就能同時控制變換時的電流不均衡。
2）主電路配線電感不均性，主電路配線電感不均性對電流分配有影響的與主電路電阻部分的情況相同，IGBT進行變換時，由于集電極電流變化劇烈，在電感的兩端產生電壓。由于這種電壓的極性是傾向于阻礙變換工作的，這樣就使變換時間增加。因此，在電感不均衡的情況下變換時間會產生偏差，使電流集中在某個元件上。為了降低這種不平衡；發射極側的配線需要盡量縮短，并且分別均等化。
（2）濾波電容器設計
功率電路需要電感量極低的濾波電路，根據設計計算，如果要把功率模塊兩端的過電壓限制在100V以內，其直流母線的電感應限制在12.7μH以下，濾波電路才能很好地發揮作用。因此，應在變換器的母線輸入端設置了濾波電容器。該濾波電容器應與功率模塊平行布置，電容器的正負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計
（1）功率模塊的優化布局
變換器主電路在空間產生的磁場強度隨輸入輸出母線中通過電流的強弱而變化，同時，功率模塊產生的空間交變電磁場強度隨其兩端電壓和電流突變的劇烈程度而變化。這些干擾信號很容易耦合到功率模塊的驅動線上。通過合理的布局，可以使在功率驅動端附近和驅動線一帶的空間交變電磁場強度最小，即干擾信號最小。在設計中應采取以下措施：
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。
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。
這種結構不僅可以減小寄生電感，而且對于功率模塊產生的空間交變電磁場起到了很好的屏蔽作用。
（2）功率模塊的接地設計
當功率模塊的柵極驅動或控制信號與主電流共用一個接地回路時，在開關過渡過程中，具有很高的di/dt，使功率電路漏電感上有感應電壓存在。一 旦這種情況發生，電路中的“地”電位各點實際上會處于高于“地電位”幾伏的電位上。這個電壓會出現在功率模塊的柵極，而使功率模塊有可能誤導通。為了避免這個問題的發生，需要慎重考慮柵極驅動與控制電路的設計。在設計中應采取以下措施：
1）下橋臂每個柵極驅動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；
在功率器件關斷期間，使用負的反向偏置電壓，以避免噪聲干擾。