ISC突波吸收电容的原理和设计

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。

       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。

      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。

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。

       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。