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IGBT无损吸收网络的设计来源于瑞达科技网
作者:佚名  文章来源:网络  点击数  更新时间:2011/1/25   文章录入:瑞达  责任编辑:瑞达科技

摘 :提出一种模块化IGBT无损吸收网络,介绍了其缓冲吸收原理、元件参数计算及一些注意事项。
    关键词
:IGBT;无损吸收;电容模块;网络

  IGBT作开关器件的变换器中,电路一般都存在电抗元件。当开关转换时,电感储能释放将造成很大的电流冲击,器件一则承受高di/dt,dv/dt的危害,二则由于过量开关损耗引起温升,降低了可靠性,可能导致器件损坏。为使IGBT可靠工作,一般都采用缓冲吸收或软开关技术,其作用就是改变器件的开关轨迹,控制各种瞬态过电压,降低开关损耗。
  常用的RCD有损吸收网络线路简单,但降低了变换器效率,而软开关电路一般存在线路复杂、控制繁琐、辅助开关管有损耗等问题。针对这一缺陷,本文提出一种简单可靠的模块化无损吸收电路。


1 缓冲吸收原理
  无损吸收网络能够把从输入或输出电路中吸收的能量进行再利用,能量传输的方式多是反馈给电源或负载,或是在吸收网络内部循环。图1为本文采用的无损吸收网络,该网络包括CDE电容模块、二极管D3、电感L1,其中电容模块内封装两单元无感突波缓冲电容C1,C2与超快恢复缓冲二极管D1,D2。
  IGBT关断时电路开始工作,负载电流经二极管D1向缓冲电容C2充电,电容C1(导通期间已充电至U)经D3放电,能量反馈给负载,并提供负载电流的续流通路,IGBT集电极电流逐渐减少。当C2充电到U,C1放电到0时,D3关断,感性负载中的电流流过 主续流二极管D。由于电容C2两端电压不能瞬态突变,所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dv/dt,降低了IGBT的电压应力,同时,集电极电流转移到了缓冲电路,从而降低了关断功耗。


  IGBT开通时,二极管D1,D3关断,C2,L1,C1组成谐振电路,U施加到吸收网络电感L1的两端,电流从C2通过L1和D2给C1充电。当C2放电到0时,C1充电到U,电感L1中的电流为0,串联的二极管D2截止,谐振结束,C1储存能量为IGBT关断作准备。在这一开通期间,由于负载电感L、集电极母线电感、各种杂散电感以及L1对集电极电流的限流作用,有效地限制了IGBT集电极电流上升率di/dt、降低IGBT的电流应力,同样也降低了开通功耗。
  这样,缓冲电路不仅降低了器件的开关损耗,而且降低了器件所承受的电压、电流应力,保护IGBT安图2所示。


2 缓冲元件参数计算
  首先确定IGBT驱动的负载电流I的最大值、外施电源U的最大值以及要求的开关管电压上升时间Tr。因缓冲电容C1,C2配合充放电,取值相同,其大小可 以根据下式计算:

  由于D3的作用,C2,C1的充放电时间是一个完整谐振周期的1/2。这一时间(复位时间Ts)必须小于可能的开关管最小导通时间。否则,吸收网络将不能完全复位,而且将增大开关管损耗。一旦知道Ts,吸收 网络电感量L1可根据式(3)计算:

数大小。另外要注意的是,当开关管导通时,谐振电流流经开关管使吸收网络复位,开关管必须有一定的电流裕量,以调整这个电流。
3 注意事项
  吸收网络中元件的特性是非常重要的。由于电流变化率非常大,吸收电路及其元件内部很小的寄生电
感现象几乎可以使网络完全失效。为了减小寄生电感,需从多方面入手:
    (1)直流母线要尽量地短;
    (2)缓冲吸收电路要尽量贴近IGBT管;
  (3)选用无感的突波电容及与IGBT相匹配的快速缓冲二极管。
  目前,缓冲吸收电路的制作多用分立件连接;也有用缓冲电容模块直接安装在IGBT上的。显然,后一种方式吸收效果要好。本文采用的美国CDE公司的缓冲电容模块能充分满足IGBT电路尤其是高频大功率IGBT电路对吸收网络的要求,其SCC型电容模块为两单元无感突波缓冲电容与缓冲二极管一体封装,易于与外接器件构成简单可靠的吸收电路。模块的电容容量0.47~2.0μF可选,直流电压分600 V和1 200 V两档,特点是低介质损耗、低电感量、高峰值电流、缓冲二极管极低恢复电荷、防火树脂封装、有导线与外部相连。
  吸收网络一般选用小功率快恢二极管,它承受低的平均电流和大的峰值电流。特别的是,二极管必须有较低的恢复电荷,如果恢复电荷过大,电容器中储存的能量将不能保证网络在下一个周期复位。本文中的CDE缓冲电容模块封装的超快恢复二极管在这一方面有着优异的性能。
  此外,和电容器并联的电感器必须最小化。应通过改变绕组的结构来减小绕组的寄生电容。采取层绕法的寄生电容最大,而分段绕和叠绕技术可以减小绕组的寄生电容。
4 结 语
  该模块化无损吸收网络已成功用于一台大功率开关电源上,运行表明,该网络既保护了开关功率管,又减小了开关损耗,提高了整机效率,加强了系统的可靠性,非常适合于高频大功率及要求高效率的功率变换器。

 

参考文献

[1] 方良.无损吸收网络在电源技术中的应用[J].电子元器件应用,2001,(7):11-1
[2] 舒正国.电容器的品质与美国CDE电容[J].电力电子技术,2002,(6):76-77

 

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