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1、RC缓冲和散热总结1.IGBT缓冲电路的分类和作用缓冲电路又称吸收电路,在电力半导体器件的应用技术中起着重要的作用。因为电力半导体器件的可靠性与它在电路中承受的各种应力(电的、热的)有关,所承受的应力越低工作可靠性越高。电力半导体器件开通时流过很大的电流,阻断时承受很高的电压;尤其在开关转换瞬间,电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击,可能超过器件的安全工作区而导致损坏。缓冲电路的主要作用是用来控制IGBT等功率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压,减少器件的开关损耗,充分利用工IGBT的功率极限。
2、缓冲电路将开关损耗从器件本身转移至缓冲器上,目的是使功率器件损耗减少,保证安全工作,但总的开关损耗并未减少。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为抑制电路,用于吸收器件的关断过电压和换向过电压,抑制,减小器件关断损耗。开通缓冲电路又称为抑制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和,减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起,称为复合缓冲电路。在有缓冲电路的情况下，关断时将被抑制，减小关断电压并且在IGBT关断时,负载电流向分流,减轻了加在IGBT上的负担。2.IGBT关断缓冲电路的常
3、用拓扑结构设计IGBT缓冲电路应考虑的主要因素有:功率电路的布局结构、功率等级、工作频率和成本。图2-1给出了目前应用较为广泛的四种关断缓冲电路拓扑。图2-1：常用四种关断缓冲电路缓冲电路A由一个无感电容并在IGBT模块的CE极之间,这种缓冲电路适用于小功率等级,对抑制瞬变电压非常有效且电路简单,成本低，缺点是随着功率级别的增大,A型缓冲电路可能会与直流母线寄生电感产生减幅振荡，安装时必须靠近IGBT。缓冲电路B使用快恢复二极管解决了A型缓冲电路可能会与直流母线寄生电感产生减幅振荡这个问题,该二极管可箝位瞬变电压,从而
4、抑制振荡的发生。缓冲电路B和D的RC时间常数应设为该开关周期的1/3(11)左右。对于大功率级别的IGBT工作,缓冲电路B的回路寄生电感将变得很大,不能有效地控制瞬变电压。这种场合可采用C型缓冲电路,其功能与B型类似,而且它直接连接到每个IGBT的集电极和发射极,具有寄生电感较小的优点,可有效地抑制振荡和控制瞬变电压,但电路结构相对复杂,元件多,成本高。在极大功率的应用电路中,联合使用A型和C型,可以减小缓冲电路二极管的应力。D型吸收电路即RC关断缓冲电路,此电路的优点就是结构简单,它是现在工程实践中用的最多的吸收电路
5、的类型,但是它的缺点就是易造成过冲电压,并且在使用大容量IGBT时,会引起集电极电流升高,因此必须增大电阻R,这样会使IGBT功能受到一定限制。适用于斩波电路和小容量、低频率装置。1.IGBT关断尖峰电压产生的原因3.1关断尖峰电压IGBT的关断尖峰电压是由于通过IGBT的电流在关断时产生的瞬态高电压。为了更好地解释这一现象,我们采用图3-1所示的感性负载半桥电路的关断过程来说明。图3-1：具有感抗的半桥电路假定上桥臂Q1截止,下桥臂Q2处于开通状态。若主回路为理想电路且不存在寄生电感,当下桥臂Q2由导通变为截止时,由
6、于感性负载电流不能突变,将通过上桥续流二极管D1续流,以构成电流回路。此时下桥臂电压Vce2将上升,直到它的值达到比直流电压高出一个二极管的压降值,才能使上桥臂Q1的续流二极管D1导通以防止电压进一步增加。但在实际的功率电路中存在寄生电感,如图3-1中的等效寄生电感。当下桥臂截止时,电感阻止负载电流向上桥臂IGBT的续流二极管切换。在该电感两端产生阻止母线电流增加的电压(),它与电源电压相迭加并以尖峰电压的形式加在下桥臂IGBT的两端。在极端情况下,该尖峰电压会超过IGBT的耐压额定值,使IGBT损坏。在实际应用中,寄
7、生电感分布于整个功率电路中,但其效果是等同的。3.2续流二极管反向恢复时的尖峰电压当续流二极管恢复时会产生与关断时相似的尖峰电压。在图3-1中,假定下桥臂Q2关断,并且负载电流通过上臂IGBT的续流二极管Dl构成环路。此时,若Q2导通,随着负载电流通过Q2,流过续流二极管D1中的电流11将逐渐下降,并且在续流二极管反向恢复期间变为负的最大值。当续流二极管D1恢复阻断,会迅速下降为零,这种情况类似于上面所描述的关断情况。主回路中的寄生电感产生了一个尖峰电压其值与和成正比,而与续流二极管D1的恢复特性有关。有些快恢复二极管
8、在Q2快速开通时被“硬恢复”,可以产生特别高的反向恢复。这种情况通常被称为“折断式”恢复,可导致很高的瞬态电压。1.RC关断缓冲电路的工作机理图4-1：RC缓冲电路的基本结构图当IGBT突然关断时,原来流过回路寄生电感的电流通过RC旁路,从而将寄生电感上的储能转移到了电容上,避免在器件突然关断时,由于电流突变在器件两端产生很高的电
