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IGBT缓冲电路和电容分析,基于电磁互感模块的IGBT设计

2017年05月24日 14:20 网络整理 作者: 用户评论(0

  IGBT缓冲电容电路如何设计?

  1 引言

  众所周知,在电力电子功率器件的应用电路中,无一例外地都要设置缓冲电路,即吸收电路。因为全控制器件在电路工作时莫名其妙损坏的原因虽然很多,但缓冲电路和缓冲电容选择不当是不可忽略的重要原因所在。

对由电力电子器件构成的变换器进行电磁兼容性设计之前,必须分析预期的电磁环境,并从电磁干扰源,耦合途径和敏感设备人手,找出其所处系统中存在的电磁干扰。然后有针对性地采取措施,就可以消除或抑制 电磁干扰。电力电子器件所处电磁环境中存霖河默『r扰源主要有:

  2 缓冲原理

  电路中器件的损坏,一般都是在器件在开关过程中遭受了过大的di/dt,dv/dt或瞬时功耗的冲击而造成的。缓冲电路的作用就是改变器件的开关轨迹,控制各种瞬态时的过电压,以降低器件开关损耗来确保器件的安全。

对由电力电子器件构成的变换器进行电磁兼容性设计之前,必须分析预期的电磁环境,并从电磁干扰源,耦合途径和敏感设备人手,找出其所处系统中存在的电磁干扰。然后有针对性地采取措施,就可以消除或抑制 电磁干扰。电力电子器件所处电磁环境中存霖河默『r扰源主要有:

  图所示为GTR在驱动感性负载时的开关波形。不难看出,在开通和送断过程中的某一时刻,GTR集电极电压Uc和集电极电流ic将同时达到最大值,此时瞬时功耗也最大。加入缓冲电路可将这一开关功耗转移到相关的电阻上消耗掉,从而达到保证器件安全运行的目的。

  通用的IGBT缓冲电路有如下图所示的三种形式。 其中,图(a)为单只低电感吸收电容构成的缓冲电路,适用于小功率IGBT 模块,用来对瞬变电压有效时的低成本控制,使用时一般将其接在C1和E2之间(两单元模块)或P和N之间(六单元模块)。图4(b)为RCD构成的缓冲电路,适用于较小功率的IGBT模块,缓冲二极管D可箝住瞬变电压,以抑制由于母线寄存电感引起的寄存振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3,即τ=T/3=1/3f。图4(c)为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路,适用于大功率IGBT模块,其功能类似于图4

  (b)缓冲电路,但其回路电感更小。若同时配合使用图4(a)缓冲电路,则可减小缓冲二极管的应力,从而使缓冲效果达到最佳。

  IGBT采用缓冲电路后的典型关断电压波形如图5所示。图中,VCE起始部分的毛刺ΔV1是由缓冲电路的寄存电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。其值由下式计算:

  ΔV1=Lsdi/dt

对由电力电子器件构成的变换器进行电磁兼容性设计之前,必须分析预期的电磁环境,并从电磁干扰源,耦合途径和敏感设备人手,找出其所处系统中存在的电磁干扰。然后有针对性地采取措施,就可以消除或抑制 电磁干扰。电力电子器件所处电磁环境中存霖河默『r扰源主要有:

  XK推出新款高性能镀金属聚丙烯膜缓冲电容器---XK Roederstein MMKP81,该器件可直接安装在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块上,容量从0.047μF到10μF,可在+105℃高温下工作,有700VDC~2500VDC和420VAC~800VAC共7个电压等级。

  MMKP81可承受2500V/μs的高能脉冲和1850A的峰值电流,寿命超过30万小时,可减少由切换IGBT引起的电压和电流尖峰,这种尖峰是电磁干扰(EMI)的重要来源。典型应用包括功率转换器、频率转换器,以及风力机逆变器、中功率和高功率太阳能逆变器、汽车动力总成中的电机驱动。同时还提供结构长度58mm的器件,用于高功率IGBT模块。

对由电力电子器件构成的变换器进行电磁兼容性设计之前,必须分析预期的电磁环境,并从电磁干扰源,耦合途径和敏感设备人手,找出其所处系统中存在的电磁干扰。然后有针对性地采取措施,就可以消除或抑制 电磁干扰。电力电子器件所处电磁环境中存霖河默『r扰源主要有:

  缓冲电容器的ESR低至1.5mΩ,容量公差±5 %,引线间隔的每毫米自感为0.7nH,RMS电流高达20A。器件采用阻燃塑料外壳和环氧树脂密封,无铅、无卤素,符合RoHS指令。

  IGBT功率模块的电磁兼容性电路设计:

  1.电磁干扰源

  电动机及其控制系统是电力传动的关键技术之一,而电力电子器件则是其核心。由于拖动系统运行环境的复杂性,电力电子器件处在大量的电磁干扰环境中。因此,为使电力电子器件稳定工作,其电磁兼容性设计就显得十分重要。近年来,使用了IGBT模块的变频器、UPS 等变换装置需要适应欧洲的CE标志和国内的VCCI标准。将EMI(电磁干扰)杂波(装置在运行中发生的具有传导性和辐射性的EMI 杂波)控制在标准值水平以下的装置设计成为非常重要的课题。由于IGBT模块的每一次更新换代,都通过特性改良在产品酶祷遠化、低损耗化方面有所改进。因此,IGBT在开通和关断时产生高的dv/dt、di/dt,在很多情况下成为了产生辐射性EMI杂波的原因。这种辐射性EMI 杂波产生的原因,一般认为是由于IGBT在开通(对置支路的FWD反向恢复)时产生的高dv/dt、di/dt,并在由半导体电子设备的结电容等杂散电容与配线上的寄生电感产生的高周波LC 共振而产生的。为了降低IGBT模块在开通和关断时产生的辐射性EMI 杂波,通过重新设定驱动条件使变换特性,特别是导通特性柔性(低速)化将是有效的。

  通过加大栅极电阻,在变换特性得以柔性化时,测定辐射性EMI 杂波的特性。如果栅极电阻增加为标准栅极电阻的2倍左右,则能使辐射性EMI 杂波减低 l0dB以上。但是,如果通过对交换特性柔性化来抑制辐射性EMI 杂波,则变换损耗有增加的倾向,因此,重要的是在考虑与装置运转条件和模块冷却条件等取得平衡的同时,来设定驱动条件。辐射性EMI 杂波根据装置的配线构造、材质、电路构成等不同,其产生原因和干扰电平也不尽相同。

  对由电力电子器件构成的变换器进行电磁兼容性设计之前,必须分析预期的电磁环境,并从电磁干扰源,耦合途径和敏感设备人手,找出其所处系统中存在的电磁干扰。然后有针对性地采取措施,就可以消除或抑制 电磁干扰。电力电子器件所处电磁环境中存霖河默『r扰源主要有:

  1)高频开关器件快速通断形成大脉冲电流而引起的电磁干扰。

  2)供电电源的负载突变。

  3)系统内部及其周围的强电元件造成的强电干扰。

  4)电动机动力传输线与其他传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰。

  5)由连续波干扰源等造成的空间辐射干扰。

  系统中各个电子部件、功率器件都可能成为被干扰的敏感受扰设备,当干扰信号电平低于系统门槛电平时,不会对系统造成危害。但若高于低限门槛电平时,就可能导致电子器件的明躑踢,对系统产生干扰。干扰信号可以通过多种途径从干扰源耦合到敏感受扰设备上,主要有4种方式:

  1)传导耦合。

  2)公共阻抗耦合。

  3)感应耦合。

  4)辐射耦合。

  在电气拖动系统中,功率模块在开关过程中出现高压切换难以避免,同时电动机定子电的dv/dt值很高,电动机定子电流中的di/dt在开关切换时也很大,因此,通过感应耦合和辐射耦合传输的干扰最为严重。

  2.控制电路的电磁兼容性设计

  变换器的控制电路由控制电源、主电路板(控制板和驱动板)组成。控制电源的作用是为控制电路和驱动电路提供工作电源,控制板的主要作用是接受上位机的给定指令,经高速数字运算产生功率模块的驱动控制信号,并对来自驱动板的反馈信号进行处理。驱动板的主要作用是接受来自控制板的功率模块驱动控制信号,经功率驱动电路控制功率模块导通或关断,同时将输入电压,输入电流,输出三相电流和温度等反馈信号经放大及滤波等环节后送给控制板进行处理。

  (1)控制电源的抗干扰设计

  控制电源的稳定性对控制 电路的稳定工作至关重要。通常控制、驱动电路的电源有:模信号电源;数字信号电源;运算放大器电源。控制电源的电磁兼容性设计主要采取了以下几种措施:

  1)尽可能地缩短输入输出连线,并相互绞合,以减小“天线”效应。

  2)尽可能地缩短电源输出端与负载间的距离,并增大连接导线的截面积,以减小连接电阻对负载调整率的影响。

  3)在控制电源进线端接电源滤波器,此滤波器采用了双L型滤波,可有效减小由 电源进线引入的传导干扰。

  4)在电源输入端安装维持电容,其作用是防止在控制 电路出现短路故障或其他因素导致输入电压瞬间跌落的意外时,维持电容可在一定时间内给电路提供维持电压,另外,还可吸收控制电路输入端的电压尖峰。

  5)由于电源及其输出配电线都会有一定的输出电阻和输出电感存在,因此,在模拟电路和高速数字电路的负载上并联去耦电容;同时在负载上还并联旁路电容,以获得对中频和高频干扰信号的旁路作用,从而防止多个负载之间的相互干扰。

  (2)控制、驱动电路PCB设计

  控制电路的印制电路板( PCB)上有各种不同功能的电路,如模拟电路,数字电路,放大电路等,不同的电路相互之间存在电磁干扰。同时,印制线寄生电感产生的噪声电压也不容忽视。因此,PCB线路的合理设计可以有效地抑制电磁干扰,提高系统的可靠性。控制电路PCB的线路设计应遵循以下原则:

  1)根据电路功能要求,按功率大小,信号强弱与性质等因素,进行分区布置,以削弱它们之间的相互干扰。

  2)本着减小导线的引线电感和导线间分布电容的原则,尽量减小导线的平行布线。

  3)在考虑安全的条件下,电源线应尽可能靠近地线,并远离信号线,以减小差模辐射的环路面积,也有助于减小电路的交扰。

  4)信号线尽量靠近地线,信号线之间应垂直布线,并远离大电流信号线及电源线。

  5)模拟地、数字地、电源地等各自分开走,自成系统,然后辐射状地汇集到一个公共接地点。

  (3)控制、驱动电路的接地设计

  接地设计有两个基本目的:消除各支路电流流经公共地线时所产生的噪声电压;避免受磁场和地电位差的影响,形成地环路。为达到以上目的,控制、驱动电路的接地设计中应采取以下几项措施:

  1)地线分流主要是通过结构措施减少公共地阻抗造成的信号串 扰,根据地线分流原则,将强电地线和弱 电地线分开,数字 电路地线和模拟电路地线分开,安全地、信号地和噪声地分开。

  2)阻隔地环流主要是通过布局来减小交变磁场的感应,辐射所造成的干扰,采用光电隔离器件来阻隔地环流。

  3)金属构件(如散热器等)与大地直接相连,以防止触电事故,外界电磁场的干扰以及静电等。

  4)直流电源的反馈线应当绞和起来,以防止其接受外来的射频能量。

  5)灵活采用单点和多点接地。

  (4)控制、驱动电路的屏蔽设计

  根据屏蔽体对电磁波的衰减机理,屏蔽效果主要由穿过屏蔽材料的衰减损耗决定。而穿过屏蔽材料的衰减损耗则由屏蔽材料的厚度以及材料的电导率和磁导率共同决定。采用2mm厚的钢板制成封闭式机箱,在封闭式机箱内驱动板和控制板与功率模块平行放置,中间加铝板隔离。机箱起到屏蔽体的作用,经测试,其屏蔽效能在100dB以上。机箱通过散热器可靠接地,使得机箱屏蔽体同时具有静电屏蔽和电磁屏蔽的作用,确保功率器件周围的静电场能量、直流磁场能量和50Hz 低频磁场能量不侵入控制、驱动电路中,同时,控制、驱动电路中产生的高频电磁场能量不扩散出去。制约整体屏蔽效能的主要因素是屏蔽体上的缝隙及孔洞等结构的不连续性。因此,在机箱的永久性接缝处采用焊接工艺密封;在机箱的非永久性接缝处加入实心导电橡胶条作为导电衬垫,从而有效保证了屏蔽的完整性。

  3.主电路的电磁兼容性设计

  主电路主要由功率模块,功率母线,滤波电容器,吸收电容和接触器等组成。设计中应针对变换器的输出功率、开关工作频率、变换器工作环境等因素,对变换器主电路的电磁兼容性作详细整体的设计。

  (1)功率母线设计

  在功率模块的开关过程中,浪涌电压的出现在所难免。主要有关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。浪涌电压会导致很高的瞬态电压,从而可能导致功率模块的损坏。浪涌电压的能量与1/2(LSI2C)成比例(LS是母线的寄生电感,IC是功率模块工作电流)。在使用大电流器件时,为了降低浪涌电压的影响,需要降低功率电路的电感。这就需要一种特殊的母线结构来适应大电流工作的低母线电感电路。因此,变换器的功率母线采用双层镀锡铜板迭加技术。这种平板式结构起到了防止功率电路中寄生电感的作用。同时,为了使母线电感尽量达到最小,采用宽平正、负母线极板把功率模块与滤波电容器直接连接。其布局如图1所示。

对由电力电子器件构成的变换器进行电磁兼容性设计之前,必须分析预期的电磁环境,并从电磁干扰源,耦合途径和敏感设备人手,找出其所处系统中存在的电磁干扰。然后有针对性地采取措施,就可以消除或抑制 电磁干扰。电力电子器件所处电磁环境中存霖河默『r扰源主要有:

  图1 逆变器主电路结构示意图

  主电路配线的电阻部分对电流分配带来的影响,与集电极侧的电阻部分比较,发射极侧的电阻部分上的这种影响更大。主电路配线中有电阻部分时,由于IGBT的输出特性趋势变得平缓,因此,集电极电流减少。另外,该电阻部分由于有集电极电流流过,产生电位差,实际的门极—发射间的电压变小( VGE=V- VE),也使IGBT的输出特性产生变化,集电极电流减少。因此,如果REl》 RE2,由于IGBT的输出特性的变缓,形成IC1 《IC2,产生电流分配不均衡。为了降低这种不平衡,集电极侧的配线需要尽量缩短并均等化。IGBT开通、关断时的电流不均衡原因有元件特性不均性和主电路配线电感不均性2种。

  1)元件特性的不均性。由于IGBT变换时的电流不均衡基本上可认为是导通状态的电流不均衡,因此控制了导通状态下的电流不均衡,就能同时控制变换时的电流不均衡。

  2)主电路配线电感不均性,主电路配线电感不均性对电流分配有影响的与主电路电阻部分的情况相同,IGBT进行变换时,由于集电极电流变化剧烈,在电感的两端产生电压。由于这种电压的极性是倾向于阻碍变换工作的,这样就使变换时间增加。因此,在电感不均衡的情况下变换时间会产生偏差,使电流集中在某个元件上。为了降低这种不平衡;发射极侧的配线需要尽量缩短,并且分别均等化。

  (2)滤波电容器设计

  功率电路需要电感量极低的滤波电路,根据设计计算,如果要把功率模块两端的过电压限制在100V以内,其直流母线的电感应限制在12.7μH以下,滤波电路才能很好地发挥作用。因此,应在变换器的母线输入端设置了滤波电容器。该滤波电容器应与功率模块平行布置,电容器的正负极直接与输入输出母线相连,如图1所示。

  4.功率模块的电磁兼容性设计

  (1)功率模块的优化布局

  变换器主电路在空间产生的磁场强度随输入输出母线中通过电流的强弱而变化,同时,功率模块产生的空间交变电磁场强度随其两端电压和电流突变的剧烈程度而变化。这些干扰信号很容易耦合到功率模块的驱动线上。通过合理的布局,可以使在功率驱动端附近和驱动线一带的空间交变电磁场强度最小,即干扰信号最小。在设计中应采取以下措施:

  1)从滤波电容到功率模块的直流连接件采用双层镀锡铜板迭加技术。

  2)输人输出母线与外部直流输入端和外部交流输出端采用铜母线连接。

  这种结构不仅可以减小寄生电感,而且对于功率模块产生的空间交变电磁场起到了很好的屏蔽作用。

  (2)功率模块的接地设计

  当功率模块的栅极驱动或控制信号与主电流共用一个接地回路时,在开关过渡过程中,具有很高的di/dt,使功率电路漏电感上有感应电压存在。一 旦这种情况发生,电路中的“地”电位各点实际上会处于高于“地电位”几伏的电位上。这个电压会出现在功率模块的栅极,而使功率模块有可能误导通。为了避免这个问题的发生,需要慎重考虑栅极驱动与控制电路的设计。在设计中应采取以下措施:

  1)下桥臂每个栅极驱动电路都采用了分离绝缘措施,且各自的电源地线接在功率模块的辅助端子上,不与主电流共用电流支路,以消除接地回路噪声问题;

  在功率器件关断期间,使用负的反向偏置电压,以避免噪声干扰。

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( 发表人:易水寒 )

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