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    千次阅读 2018-06-27 09:53:46
    全文摘自://http://www.henlito.com/chinese/news/10/12681.html突波吸收电路原理与设计突波是比较通俗化的称呼,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...

    全文摘自://http://www.henlito.com/chinese/news/10/12681.html

    突波吸收电路原理与设计

    突波是比较通俗化的称呼,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。
    1.突波产生的原因
           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。高速开关电路负载一般都不是纯粹的电阻,纯电感负载的电流不能发生突变,纯电容负载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。即便负载是纯电阻(实际上并不存在这样的负载),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,负载与引线的寄生参数比较复杂;具体到IGBT的应用电路,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 关断时主电路寄生电感导致的关断浪涌电压更有破坏力。

     典型的IGBT 半桥斩波电路简图
    图1 典型的IGBT 半桥斩波电路简图

           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 流,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:

    公式

          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。

     典型的IGBT 半桥斩波电路开关波形图
    图2 典型的IGBT 半桥斩波电路开关波形图

          VCESP超过RBSOA或VCES均有可能会导致IGBT损坏。
          上式计算起 来可能并不方便,但它至少告诉我们一个事实:高频开关 电路中,IGBT所承受的电压绝不仅仅是电源电压。
    2.抑制突波的方法
           抑制突波中关断浪涌电压的方法有下列几种。
          ·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 电路以基于静电 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。
           突波吸收电容距离它要保护的IGBT越近越好,引线越短越好。
          ·适当选取驱动电路的-V GE和RG,减小di/dt。
          ·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,一般扁平的导线与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。
    3.常见突波吸收 电路
          基于静电 电容的无源吸收电路主要有以下几种:
         ·C型突波吸收 电路,吸收 电路只有1个电容,电路最为简单,如图3所示;

     C型突波吸收电路
    图3 C型突波吸收电路

         ·RC型突波吸 收 电路,吸 收 电路由 1-1、电容串 联 1个电阻构成,如图4所示;

     RC型突波吸收电路
    图4 RC型突波吸收电路

          ·RCD突波吸收电路,在RC 吸收电路的基础上,增加电阻阻值的同时联 1个快速二极管,如图5所示。

     RCD型突波吸收电路
    图5 RCD型突波吸收电路

           每种吸收电路根据实际应用又有一定的变形。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单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,即没有并联情况,也常 常把IGBT本身的吸收 电路省略而仅仅在负载两端设置 吸收镭路,这种情况在小功率应用时更为常见,如电磁炉电路。
          全桥电路的吸收电路可以视为2个半桥的组合。
          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,否则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。
          三种突波吸收电路特点见表 1。

    表1 三种突波吸收电路的特点对比

     
     
         C型
    ·电路最简单
    ·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
    ·多用于小功率变频器
     
     
       RC型
    ·对关断浪涌电压的抑制效果比较好
    ·最适合斩波电路
    ·不适合大容量电路:此时的缓冲电阻取值比较小,IGBT关断时的集电极电流比较大
    ·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
    RCD充电抑制型·对关断浪涌电压有抑制作用,但是低于RC型
    ·比RC型更适合大容量电路: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
    ·常用于变频器
    放电抑制型·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
    ·常用于变频器
    4.突波吸收电容
           目前常用突波吸收 电容是MKP(金属化聚丙烯膜电容器),是一类耐高压的高速CBB 电容,其等效 电感、等效 电阻比较低;同时,具有有击穿自愈能力,电容内的绝缘膜被高压击穿后能自动恢复绝缘能力(注意:是高压而不是大电流,大电流击穿将不可恢复)。
          除了MKP,PET( Polyethylene  terephthalate,聚酯)电容也适用而且性更好,但是比较贵。
         专门为模块突波吸收设计的电容大都采用扁 平引脚并有符合行业标准的螺栓固定孔,以便与模块配合安装,也称为ISC (Interference  Suppression Ca-pacitor,突波吸收电容),如图6所示。

     突波吸收电容实物
    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。
    应为每个模块配置突波吸收电路,不要多个模块共用。
    5.突波吸收 电路的损耗
          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好,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,但是会增加成本,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,这个公式也适用于C型与RC型吸收电路的损耗估算:

    公式

           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 关断时的集电极电 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:

    公式

           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,阻值的大小主要影响吸收 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又送回到了主电路,因此损耗比较小。

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    亨利定律(物化的)

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    C溶液总浓度固定为55.5
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