摘要：討論了IGBT模塊緩沖電路的緩沖原理，給出了三種通用的IGBT緩沖電容，并介紹了美國(guó)CDE公司的三種電容模塊的基本參數(shù)和特點(diǎn)以及在緩沖電路中的應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：IGBT 緩沖電容 電容模塊

1 引言

眾所周知，在電力電子功率器件的應(yīng)用電路中，無(wú)一例外地都要設(shè)置緩沖電路，即吸收電路。因?yàn)槿刂破骷陔娐饭ぷ鲿r(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(kāi)關(guān)過(guò)程中遭受了過(guò)大的di/dt、du/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(kāi)關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)時(shí)的過(guò)電壓，以降低器件開(kāi)關(guān)損耗來(lái)確保器件的安全。

圖1所示為GTR在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)的開(kāi)關(guān)波形。不難看出，在開(kāi)通和送斷過(guò)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(kāi)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。

典型復(fù)合式緩沖電路如圖2所示。當(dāng)GTR關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管D向緩沖電容C充電，同時(shí)集電極電流ic逐漸減少。由于電容C兩端電壓不能突變，所以有效地限制了GTR上集電極電壓的上升率du/dt，也避免了集電極電壓Uc和集電極電流ic同時(shí)達(dá)到最大值。而GTR集電極上的母線電感以及緩沖電路元件內(nèi)部的雜散電感在GTR開(kāi)通時(shí)儲(chǔ)存的能量LI2/2，將轉(zhuǎn)換成CV2/2儲(chǔ)存在緩沖電容C中。因此當(dāng)GTR開(kāi)通時(shí)，集電極母線電感以及其它雜散電感，又有效地限制了GTR集電極上的電流上升率di/dt，從而也避免了集電極電壓Uc和集電極電流ic同時(shí)達(dá)到最大值。這樣，緩沖電容C通過(guò)外接電阻R和GTR開(kāi)關(guān)放電，以使其儲(chǔ)存的開(kāi)關(guān)能量在外接電阻和電路元件內(nèi)部電阻上消耗掉。從而將GTR運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路，并在相關(guān)電阻上以熱的形式消耗掉，經(jīng)達(dá)到保護(hù)GTR安全運(yùn)行的目的。

緩沖電容C的容量不同，其緩沖效果也不相同。圖3畫(huà)出了不同容量下GTR電容、電壓的關(guān)斷為緩沖電容C容量較小時(shí)的波形，圖3( c)為緩沖電容C容量較大時(shí)的波形。不難看出，無(wú)緩沖電容時(shí)，集電極電壓上升時(shí)間極短，致使電流、電壓同時(shí)達(dá)到最大，因而瞬時(shí)功耗最大。緩沖電容C容量較小時(shí)，集電極電流下降至零之前，其電壓已上升至電源值，瞬時(shí)耗較大。緩沖電容C容量較大時(shí)，集電極電流下降至零之后，其電壓才上升至電源值。因而瞬時(shí)功耗較小。

3 IGBT緩沖電路

通用的IGBT緩沖電路有圖4所示的三種形式。其中，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，用來(lái)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(kāi)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(lèi)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