1引言

眾所周知,，在電力電子器件的應(yīng)用電路中，無一例外地都要設(shè)置緩沖電路" title="緩沖電路">緩沖電路,，即吸收電路,。一些初次應(yīng)用全控型器件的讀者或許有這樣的感受：器件莫名其妙地?fù)p壞了。雖然損壞的原因頗多,，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,。

2緩沖原理

器件損壞，不外乎是器件在開關(guān)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(guān)軌跡,，控制各種瞬態(tài)過電壓,，降低器件開關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行,。

圖1所示為GTR驅(qū)動感性負(fù)載時的開關(guān)波形,。不難看出，在開通和關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷過程中,，GTR集電極" title="集電極">集電極電壓uc和集電極電流ic將同時出現(xiàn),，因而開關(guān)功耗大。加入緩沖電路,，可將部分開關(guān)功耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路上,，達(dá)到保證器件安全運(yùn)行的目的。

典型復(fù)合式緩沖電路如圖2所示,。當(dāng)GTR關(guān)斷時,，負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管D向緩沖電容Cs充電，同時集電極電流ic逐漸減少。由于電容Cs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,，降低了GTR的電壓應(yīng)力，同時集電極電流轉(zhuǎn)移到了緩沖電路,，從而降低了關(guān)斷功耗,。GTR集電極母線電感以及雜散電感" title="雜散電感">雜散電感，在GTR開通時儲存的能量LI2/2,，這時轉(zhuǎn)換成CsVcs2/2儲存在緩沖電容Cs中,。當(dāng)GTR開通時，集電極母線電感和其他雜散電感以及Rs對Cs放電的限流作用,，有效地限制了GTR集電極電流上升率di/dt,，降低了GTR的電流應(yīng)力，同樣也降低了開通功耗,。這樣,，緩沖電路不僅降低了開關(guān)器件的開關(guān)損耗，而且降低了器件所承受的電壓,、電流應(yīng)力,，從而保護(hù)了GTR安全運(yùn)行,。

緩沖電容Cs容量不同,，其緩沖效果也不相同。圖3給出了不同容量下GTR電流,、電壓關(guān)斷波形,。圖3（a）

圖1GTR的開關(guān)波形

圖2復(fù)合式緩沖電路

圖3GTR電流、電壓關(guān)斷波形

(a)無緩沖電容(b)緩沖電容較小(c)緩沖電容過大

圖4通用的三種IGBT緩沖電路(a)SCD型(b)SCM型(c)SCC型 

為無緩沖電容時的波形,，圖3（b）為緩沖電容Cs容量較小時的波形,，圖3（c）為緩沖電容Cs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和集電極電流下降時間極短，致使關(guān)斷功耗大,。緩沖電容Cs容量較小時,，集電極電壓上升較快，關(guān)斷功耗也較大,。緩沖電容Cs容量較大時,，集電極電壓上升較慢，關(guān)斷功耗較小,。

3IGBT緩沖電路

通用的IGBT緩沖電路有三種形式,，如圖4所示。圖4（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(gòu)成的緩沖電路,，適用于較大功率IGBT模塊,，緩沖二極管D可箝制瞬變電壓，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(shù)應(yīng)設(shè)計為開關(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,，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(yīng)力，使緩沖效果更好,。

IGBT采用緩沖電路后典型關(guān)斷電壓波形如圖5所示,。圖中，VCE起始部分的毛刺ΔV1是由緩沖電路的寄生電感和緩沖二極管的恢復(fù)過程引起的,。其值由下式計算：

ΔV1=LS×di/dt（1）

式中：LS為緩沖電路的寄生電感,；

di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的電流上升率，其最惡劣的值接近0.02Ic（A/ns）,。

如果ΔV1已被設(shè)定,，則可由式（1）確定緩沖電路允許的最大電感量" title="電感量">電感量。例如,，設(shè)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=8A/ns

由式（1）得

LS=ΔV1/（di/dt）=100/8=12.5nH

圖中ΔV2是隨著緩沖電容的充電,，瞬態(tài)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(guān),，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(nèi)部的雜散電感,，在IGBT開通時儲存的能量要轉(zhuǎn)儲在緩沖電容中,，因此有

LPI2/2=CΔV22/2（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(shè)定,，則可由式

圖5采用緩沖電路后IGBT關(guān)斷電壓波形 

（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(nèi)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(shè)定ΔV2≤100V時由式（2）計算得出的,。

還有一種經(jīng)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

好地控制瞬態(tài)電壓是充分的,。

4美國CDE電容模塊在緩沖電路中的應(yīng)用

從第3節(jié)的討論得知，母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)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：有用分立件連接的,；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(hù)IGBT安全運(yùn)行,。

美國CDE是一家老牌跨國公司，其電容產(chǎn)品因品質(zhì)優(yōu)越而為美國國家宇航局選用,，并隨航天器而享譽(yù)太空,。CDE公司的緩沖電容模塊能充分滿足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SCD,、SCM和SCC三種類型,，其選型參數(shù)見表2。

（1）SCD型電容模塊為一單元緩沖電容封裝,，構(gòu)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，直流電壓分600V,、1000V,、1200V、1600V,、2000V五檔,。其特點(diǎn)是，低介質(zhì)損耗,，低電感（<20nH）,，有自修復(fù)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(gòu)成圖4（b）緩沖電路,。適用于中,、小電流容量的IGBT模塊。根據(jù)緩沖電容位置的不同,，有P型和N型之分,，即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(lián)并采用圖4（c）緩沖電路，則P型并接P母線端IGBT模塊,，N型并接N母線端IGBT模塊,。容量范圍0.47μF～2.0μF,，直流電壓分600V、1200V兩檔,。其特點(diǎn)是,，低介質(zhì)損耗，低電感量,，緩沖電容與快恢二極管一體封裝,，有導(dǎo)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(gòu)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，直流電壓分600V,、1200V兩檔,。其特點(diǎn)是，低介質(zhì)損耗,，低電感量,，高峰值電流，緩沖電容與超快恢復(fù)二極管一體封裝,，有導(dǎo)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(jié)語

以上簡單的討論和介紹,，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

表1緩沖電路和功率電路設(shè)計推薦值

型式	型號	說明	電壓(Vdc)	電容值(μF)	dv/dt(V/μs)	峰值電流(A)	均方根電流(A)	頁碼
IGBT緩沖電容模塊
	SCD	聚丙烯電容,，<20nH,預(yù)留23mm～28mm導(dǎo)線	600～2000	0.22～4.7	150～800	118～1200	upto50A	5.002
	SCM	聚丙烯電容和超快恢復(fù)二極管,，<20nH,預(yù)留23mm～28mm導(dǎo)線	600～1200	0.47～2	150～600	300～1000	upto50A	5.004
	SCC	2聚丙烯電容和超快恢復(fù)二極管，<20nH,預(yù)留23mm～28mm導(dǎo)線,，雙IGBT	600～1200	0.47～2	150～600	300～500	upto50A	5.006

表2電容模塊選型表

情況下,，最好選用適當(dāng)?shù)碾娙菽K構(gòu)成適當(dāng)?shù)木彌_電路，并直接安裝在IGBT模塊上,。這樣，莫名其妙損壞IGBT模塊的幾率,，也許會小得多,。