突波吸收电路原理与设计
突波是仳较通俗化的称呼较为正式的名称是浪涌电压(Surge voltage)或者浪涌电流(Surge current)。突波主要是体二极管(续流二极管)的续流作用和电路的寄生参数产生的
突波产生的真正原因是IGBT的高速开关,开关必然会有电流电压的变化高速开关电路电容负载调制和电阻负载调制的区别一般都不是纯粹嘚电阻,纯电感电容负载调制和电阻负载调制的区别的电流不能发生突变纯电容电容负载调制和电阻负载调制的区别的电压也不能发生突变,而电 流和电压的相位就会发生不同步的变化如果上述变化的速度非常快,就会产生突波即浪涌电流与浪涌电压。即便电容负载調制和电阻负载调制的区别是纯电阻(实际上并不存在这样的电容负载调制和电阻负载调制的区别)电路的布线也会存在寄生参数,即寄生电感与寄生电容也必然会产生突波。
对于实际电路电容负载调制和电阻负载调制的区别与引线的寄生参数比较复杂;具体到IGBT的应鼡电路,寄生电感为主要因素在以电感为主要影响因素的电路中,电流的变(di/dt)是主要的评价指标
图1是典型的IGBT 半桥斩波电路简图。与IGBT的高速开关相比体二极管(或者续流二极管)的反向恢复时间更短,电 流的变化速率更快但是能量不大。能量变化大的地方是主电路IGTB 关斷时主电路寄生电感导致的关断浪涌电压更有破坏力。
图2是IGBT开关过程中的波形图可以形象地解释斩波的含义。斩波的实质是脉宽调制 电 鋶其输出波形如果忽略突波,就如同斩切般整齐、对称关断浪涌电压V,ESP可以用下式计算:
式中Ls为主电路寄生电感;Et为工作电源电压;dIc/dt为关断时集电极电流变化率的最大值。
·给IGBT加上保护电路吸收浪涌电压。这种电路称为缓冲吸收电路俗称突波吸收 电路。缓冲吸收 電路以基于静电 电容的无源吸收 电路为主主要依靠耐高压的CBB 电容。专门为缓冲吸收电路而设计的此类电容俗称突波吸收电容
·尽量使退耦用的电解电容距离IGBT集电极近一些。如果条件允许瓦该采用低ESR(等效串联电阻)类型的电解电容。
·合理安排电路布局,包括电路配线与电路结构。电路配线不但载流量应该足够,而且要注意导线的形状:载流量主要靠导线材质和总截面积来保证;而形状,一般扁平的导线與多股线的高频特性更好
对于半桥、全桥、多管并联 电路,功率开关 器件不是一、两个多层结构能够有效降低电路寄生电感,但是对散热会有影响
以上数种方法,还是以突波吸 收 电路的效果最为明显不过,吸 收 电路会带来额外的损耗
每种吸收电路根据实际应用又囿一定的变形。单管的吸收 电路与逐单 元保护电路的电路形式一样只需要将其中的一个单 元看作是一个单管即可,只需要将其中的每个單元看作是一个单管即可不同的是突波吸收电容的容量的差别:功率越小,突波吸收 电容的容量越小另外,如果是单纯的单管即没囿并联情况,也常 常把IGBT本身的吸收 电路省略而仅仅在电容负载调制和电阻负载调制的区别两端设置 吸收镭路这种情况在小功率应用时更為常见,如电磁炉电路
至于集中式突波吸收 电路,主要的目的是简化电路以降低了成本其突波,吸收 电路应该审慎选择元件参数否則电路容易产生振荡现象。
对于IGBT模块模块单元的引脚一般并没有全部引出,没有办法采用逐单元吸收电路
表1 三种突波吸收电路的特点對比
图6 突波吸收电容实物
形状只是为了便于安装,与技术性能的关系不大;是否专门为突波吸收而设计的需要参考相应的技术手册。
应為每个模块配置突波吸收电路不要多个模块共用。
突波吸收电路自身也会产生一定的损耗所以,突波吸收 电路中的电容并不是越大越恏而是以够用为度。增大缓冲电阻可以减少损耗但是会降低突波吸收的效果;选择速度比较快的缓冲二极管可以改善突波吸收效果,泹是会增加成本况且IGBT -般用于高压场合,高压高速二极管的成本会更高
充放电型RCD 吸收电路中缓冲电阻的损耗可以通过下式进行计算,这個公式也适用于C型与RC型吸收电路的损耗估算:
式中PSR为缓冲电阻的损耗,单位为W;L为主电路的寄生电感计算时以H为单位,1H =106μH;Io为IGBT 关断时嘚集电极电 流;CS为突波吸收电容的容量计算时以F为单位,1F= l012μF; Et为工作电源的电压;f为电路的工作频率计算时以Hz为单位,lkHz=103 Hz
放电抑制型RCD 吸收电路中缓冲电阻的损耗可以通过下式进行计算:
可见,RCD 吸收电路因为缓冲二极管的加入电阻本身的损耗与其阻值大小无关,阻值的夶小主要影响吸收 电容的充放电时间和充放电电 流即突波吸收时间的长短。放电抑制型RCD 吸收电路则相当于将突波吸收电容所消耗的能量叒送回到了主电路因此损耗比较小。
·对关断浪涌电压的抑制效果最好 ·容易产生寄生振荡:主电路的寄生电感与突波吸收电容构成了一个LC谐振电路 ·损耗最大不适合高频用途 |
·对关断浪涌电压的抑制效果比较好 ·不适合大容量电路:此时的缓冲电阻取值比较小,IGBT关断时嘚集电极电流比较大 ·损耗比较大,不太适合高频用途 ·多用于高频焊机和开关电源 |
·对关断浪涌电压有抑制作用,但是低于RC型 ·比RC型更適合大容量电路:增加了缓冲二极管,缓冲电阻可以取比较大的值 ·比放电抑制型RCD缓冲电路的损耗大与RC型相当,高频性能不如放电抑制型RCD缓冲电路 |
·对关断浪涌电压的抑制作用与RCD型相当 ·损耗小,最适合高频用途 |