突波吸收电路原理与设计

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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。

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：

      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。

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；

      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；

      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。

       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。

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。

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：

       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：

       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。