RC缓冲和散热总结
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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。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/dv dt 抑制电路,用于吸收器件的关断过电压和换向过电压,抑制/dv dt ,减小器件关断损耗。开通缓冲电路又称为/di dt 抑制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和/di dt ,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/dv dt 将被抑制，减小关断电压并且在IGBT 关断时,负载电流向Cs 分流,减轻了加在IGBT 上的负担。
2. IGBT 关断缓冲电路的常用拓扑结构
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。
D
A B
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(133T f
τ==)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。
3.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p L。
当下桥臂截止时,电感p L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P V (P P di
V L
dt
),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,寄生电感p L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fwd
I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, fwd I 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p L 产生了一个尖峰电压1PK Q V 其值与p L 和/di dt 成正比,而/di dt 与续流二极管D1的恢复特性有关。有些快恢复二极管在Q2快速开通时被“硬恢复”,可以产生特别高的反向恢复/di dt 。这种情况通常被称为“折断式”恢复,可导致很高的瞬态电压。
4. 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p L 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Cs 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压尖峰,因而大大降低了开关管截至瞬间在其两端所产生的过电压,当IGBT 管导通时,电容Cs 上存储的能量通过IGBT 、缓冲电阻Rs 释放,从而使其两端的电压下降到母线电源电压,为下一次的缓冲吸收做好准备,考虑到Cs 的储能和释放,因此其每次释放时都应当释放完毕,这样才能为下一次的吸收做好准备,并且缓冲电路里的器件也不会因为过冲而烧坏,这样在设计RC 缓冲电路时其时间常数CsRs τ=必须小于IGBT 管的开通时间,一般取一个工作周期的1/3-1/5即可。
5. RC 关断缓冲电路的参数设计
5.1吸收电容的确定
RC 吸收电路的作用是吸收IGBT 关断时产生的过电压,其本质是靠吸收电容Cs 来吸收掉主电路寄生电感p L 和杂散电感Ls 产生的能量,即能量的转移。因此为确定吸收电容Cs ,就得先确定主电路寄生电感p L 和电路杂散电感Ls 。主电路寄生电感比较容易确定,其主要是电路中安放的各个相关电容,难点在于杂散电感Ls 的确定。因缓冲电路杂散电感它是电路本身所产生的,比如电路中所选择的电阻、电容器件是有感的还是低感的,电路的布局和导线的长短都能影响杂散电感的大小,并且杂散电感在电路工作时是否产生影响还取决于电路的工作频率,
如果工作频率不是很高(如达不到kHz),那么杂散电感对电路的稳定性和器件关断时所产生的冲击是微乎其微的,但假如工作频率很高,这时就必须考虑杂散电感作用。因此在考虑杂散电感时应具体情况具体分析。
【实测】在实际电路中计算电路杂散电感的方法:首先在没有加缓冲电路时用示波器或者其他仪器来观察IGBT 关断时的一个振荡周期,记为1T ;然后给IGBT 并联一个已知大小的电容0C ,重新观察其在关断时的一个振荡周期,记为2T ,这时就可以估算电路中的杂散电感值,其计算公式如下:
12T =（5-1）
22T =（5-2） 2221)20((2)T T Ls C π-=
（5-3）
在实际的计算或者仿真中，如果我们选取的缓冲电路的电阻电容都是无感的，并且缓冲的RC 电路的布线线路合适，缓冲电路中的杂散和寄生电感就会很小，对于我们对缓冲电路的分析和计算影响都会相当小，即，只要适当对主回路寄生电感p L 做适当放大调整即可。
在关断时，储存在主电路电感L (L Ls Lp =+)中的能量为：
2112E LI =
(5-4)
吸收电容上需要吸收的能量为： 2212
E Cs U =? (5-5)
其中I 为负载电流，U ?为主回路电感产生的过电压，即
max ce d U U U ?=- （5-6） d U 为直流电压值。
假设关断前存储在主电路寄生电感和杂散电感中的磁能在IGBT 关断时完全转化为Cs 中的电能,因此就有: 22121122
E LI E Cs U ===? （5-7） 由此可以求得所要的吸收电容值为：
2
2LI Cs U
=? （5-8） 在实际设计中往往应用过冲电压百分比%U ?来衡量关断缓冲电路对于过电压的抑制能力，即
max %ce U U U ?=??
（5-9） %U ?一般取15%来设计吸收电容，
但是一旦选定吸收电容容值，%U ?就需要重
新确定。
5.2吸收电阻的确定
RC 吸收电路其实是一个一阶RC 回路,其放电时间常数CsRs τ=, RC 吸收电路是一种耗能电路,电容Cs 吸收的能量大部分要通过电阻Rs 来消耗掉,因此这种电路并不能使电路的消耗降低,只是把IGBT 管开通和关断时的消耗转移到了RC 吸收电路上来。
IGBT 关断过程中存储在电感L 上的功率为： 2012
P LI f = （5-10） 这些功率最终都要被吸收电阻Rs 吸收，因此吸收电阻损耗的总功率为： 2012
P LI f = （5-11） 对于RC 吸收电路,只要满足CsRs τ=小于1/4的IGBT 导通时间,就可以保证电容Cs 中绝大部分能量的释放,不会影响下一次吸收,因此吸收电阻可以通过下式来确定: 14Rs fCs
≤
（5-12） 其中f 为IGBT 开关频率。 但是Rs 也不是越低越好的,因为吸收电路中存在电流振荡,IGBT 开通时的集电极电流峰值也会相应增加,因此在满足上式的情况下尽量使Rs 设的高一点,具体可参考下式:
Rs ≥（5-13） 综上所述，Rs 所要满足的条件为：
14Rs fCs
≤≤ （5-13）
6. RC 关断缓冲电路的仿真与计算实例
6.1仿真模型的搭建和仿真参数
为了分析RC 吸收电路对IGBT 过电压的抑制情况,此次设计采用仿真工具Matlab 对IGBT 的实际吸收电路进行模型搭建和仿真。IGBT 采用英飞凌的FF600R12ME4模块，参数为：ces U =1200V, Ic =600A/150℃。搭建的仿真电路如图6-1和图6-2所示。
仿真参数为：
（1） 图6-1中:600dc V V = 3L R =Ω 脉冲频率 1.5KHz 脉冲幅值10V
235Lp nH =
（2） 图6-2中:600dc V V = 2L R =Ω 0.75L C mF = 0.6L L mH =
235Lp nH = PWM 控制信号载波频率15KHz,输出频率50Hz
（3） 由式5-8、5-9和5-13可以计算得出：
1.34s C F μ= 0.78Rs <<Ω，选择仿真时的2s C F μ= 3.5s R =Ω
图6-1：1.5KHz50%脉宽脉冲信号下单个IGBT 关断过程仿真
图6-2：15KHzPWM 信号单相全桥逆变电路中IGBT 关断过程仿真
6.2缓冲电路有否的关断电压对比
不加缓冲电路时两个仿真图中的IGBT 关断电压波形：
图6-3：1.5KHz50%脉宽脉冲信号下不加缓冲电路时单个IGBT关断电压
图6-4：15KHzPWM信号单相全桥逆变电路中不加缓冲电路IGBT关断电压
从图6-3和6-4中可以看出，不加缓冲电路时，关断电压都上升到器件难以承受的地步，因此缓冲电路的设计是必要和必须的。
加缓冲电路时的关断电压曲线图:
图6-5：1.5KHz50%脉宽脉冲信号下加缓冲电路时单个IGBT关断电压
图6-6：15KHzPWM 信号单相全桥逆变电路中加缓冲电路IGBT 关断电压
从图6-5和6-6中可以看出，加缓冲电路后，IGBT 的关断电压的电压尖峰得到了有效地抑制，尖峰电压幅值在50V 左右，满足设计时所考虑的max %15%ce U U ?=的要求。
6.3缓冲电路参数对缓冲效果的影响
A:缓冲电阻对关断效果的影响
在图6-1的仿真图中，固定吸收电容为2微法，改变吸收电阻 表1：不同缓冲电阻对缓冲效果的影响
/S C F μ /s R Ω 关断电压尖峰/V
2 3.2 650
2 3.4 680
2 3.6 720
2 3.8 760
2 4 800
从表1中可以看出，在缓冲电容不变的情况下，缓冲电阻越大关断尖峰电压越大，因此实际设计的时候需要同时考虑关断尖峰电压的影响。在6.1节中计算得0.78Rs <<Ω，但从表1中可以看出，缓冲电阻值超过4Ω时，关断尖峰电压已经到了800V ，实际上已经没有了很好的关断电压抑制效果，因此较为合适的电阻值应该在3.2-3.4Ω之间。
B:缓冲电容对关断效果的影响
在图6-1的仿真图中，固定吸收电阻为3.3Ω，改变吸收电容的容值 表1：不同缓冲电阻对缓冲效果的影响
/S C F μ /s R Ω 关断电压尖峰/V
1.3 3.3 740
1.5 3.3 720
1.7 3.3 690
1.9 3.3 670
2.0
3.3 660
从表2中看出，缓冲电阻值不变的情况下，缓冲电容越大，关断尖峰电压越小，因此在适当范围内可以考虑选择较大的电容，但实际工作中，电容也会发热，因此电容也不能选得过大。
7. RC 关断缓冲电路的参数选型
7.1缓冲电容的选择
在第6.1节中根据电路参数计算得到了缓冲电阻参数0.78Rs <<Ω，缓冲电容参数为 1.34s C F μ=。根据仿真结果在600V 直流电压情况，200A 额定电流条件下，缓冲电容容量选择2微法，耐压参数和IGBT 一致。
7.2缓冲电阻的选择
根据仿真结果缓冲电阻应当选择 3.3Ω左右最为合适，在以上条件下由式5-11计算得到电阻额定功率参数的计算如下：
2012
P LI f = 在15K 开关频率下，假定线路寄生电感为0.5毫亨，200A 额定电流条件下，计算得到电阻的损耗功率为182W 。一般情况下，电阻额定功率选择1.5-2倍裕量，因此选择电阻参数为3.3Ω/400W,电容参数为2F μ/1200V 。选择时应尽量选择无感或者低感的器件，电阻可选择多个功率电阻并联的形式。
8. 针对现有DVR 工作环境RC 关断缓冲电路的参数选型
缓冲电路为了能够有效的工作，避免引起不必要的电路振荡，应该选择无感或者低感的器件。
8.1 电容
选取专用的epcos 吸收电容，耐压值选取1250V ，容值选取1.5—2微法，具体选择要根据产品手册选取，安装应选择尽量直接焊接安装在IGBT 两侧，【根据安装方便的要求，晶川的技术提出应该只选取一个电容不安装缓冲电阻，根据仿真，这个电容在达到较好的效果的时候需要的容值较大，最近也在一直联系看有没有相关的案例】
8.2 电阻
参照上面计算的参数，阻值3.2-3.3欧姆，额定功率182W 。
在实际选择电阻型号的时候，还需要考虑电阻的发热问题，在综合咨询了以后，选择电阻的型号为铝壳电阻，电阻感值要低（有相关的定制）。铝壳电阻本身的散热较好，不需要考虑另外的散热，需要对风扇散热有所要求。
铝壳电阻阻值有10%误差指标，实际购买选择3或者4欧姆【鹰峰那边说了个千欧姆的问题，最近在一直查询其余厂家做的案例】，购买时，功率指标是额定功率，功率越大，温升的指标越低，即发热少，考虑实际电阻额定功率选择1.5-2倍裕量的安全要求，应该购买300或者400W 的型号。【根据电容算！！！】
厂家联系方式：上海鹰峰 021-********-814
9. IGBT 散热相关
IGBT 的散热器需要知道的主要参数指标有
1. IGBT 的损耗
2. IGBT 的模块尺寸和每散热器加装的IGBT 模块数
3. 安装尺寸
9.1 DVR 额定工况下的热损耗
方法一：根据选定的型号直接去官网热仿真。根绝我们选择的FF600R12ME4
这个型号，以600V 工作电压和220A 工作电流进行仿真，得到的仿
真的总损耗为582W 左右.
方法二：计算法去确定额定工况下的热损耗
查阅FF600R12ME4的产品手册曲线，得到以下所需要的参数
IGBT 通态压降 1.5cesat V V =
导通占空比%0.5T =
IGBT 开通能量损耗0.09on E J =
IGBT 关断能量损耗0.08off E J =
反并联二极管通态压降 1.2f V V =
额定工作条件216L I A = 600d U V =
二极管开关损耗0.025Erec J =
开关频率15f KHz =
IGBT 开通时间0.21on TR s μ=
IGBT 关断时间0.61off TR s μ=
测试条件 600V/600A
在计算时需要根据现有条件对数据进行折算，折算公式为：
1'600600d L on on U I E E V A π
= 1'600600d L off off U I E E V A π
= '600600d L U I E rec V A = 这样计算损耗如下
IGBT 开通损耗：%1()L cesat on off Pcond fI V TR TR T f
=--=160.34W
IGBT 开关损耗：('')on off Psw E E f =+=292.82W
FWD 导通损耗：()f on off f L P TR TR V I f =+=3.2W
FWD 开关损耗：'rec Prec E f ==135.28W
总损耗为591.6W
实际计算的结果和仿真的结果是可以很好的吻合的。
9.2 散热器相关
模块尺寸手册里给出，每散热器加装模块数为了单元化生产设定为2。散热方式设置为强制风冷自下而上抽风式。风扇需达到一定的风速流量要求。具体的散热型号和尺寸如下（长度400mm ）：
10.整流器散热相关
整流器选择DD171N的串联二极管模块搭建三相不控整流电路，主要发热来自其导通损耗，二极管导通压降最大值为1.26V，通态电流按照100A计算，每个二极管一周期内导通1/3时间，计算得到每个模块发热功率为：
100*1.26/3*2=84W,三个模块就是250W的发热功率。