双IGBT缓冲吸收电路研究

双IGBT缓冲吸收电路研究
叶敏1，曹秉刚2
（1长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安710064
2．西安交通大学机械工程学院，西安710049）
摘要：为提高电动汽车双向功率变换器的工作效率和使用寿命，提出双IGBT缓冲吸收电路。

针对双RCD 型缓冲吸收电路，详述了IGBT关断过程C-E端过电压产生的原因，给出了电路缓冲电容和电阻的确定方法，讨论了不同门极驱动电阻下电路的缓冲吸收效果，通过计算和实验调整确定了电路相关元件参数，指出了ICBT温升设计及其安装的注意事项。

实验研究结果表明，双RCD型缓冲吸收电路可显著降低IGBT 关断过电压，具有良好的缓冲吸收效果，可保证其安全性、可靠性和稳定性。

关键词：双IGBT；缓冲吸收；无感电容；温升
中图分类号：TP71 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2010)07-0040-04
0引言
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动电动汽车等领域。

IGBT的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口。

驱动电路的基本任务，就是将控制电路传来的信号按照控制目标的要求，转换为加在IG-BT控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。

采用性能良好
的驱动电路，可使IGBT工作在较理想的开关状态，缩小开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

本文针对电动汽车双向功率变换器，详述了双IGBT缓冲吸收电路的工作原理及其设计方法。

1 缓冲吸收电路结构及其工作原理
1.1电气主回路
要实现电动汽车的能量回收，必须采用双向功率变换器，其电气主电路主要利用降压和升压斩波原理进行设计。

图1为由双IGBT组成的电动汽车双向功率变换器电气主回路。

根据电动汽车“XJ-TUEV_II”的相关参数选用F2600R12KS4大功率IG-BT，其额定电流为600 A，额定电压为1 200v[3]。

1.2 IGBT关断过电压产生原因
在实际使用过程中，IGBT在关断时集电极电流。

下降率较大，IGBT的开关时间一般为1μs左右。

当IGBT 由通态迅速关断时，尤其在短路和在有故障的情况下会有很大的- di/dt产生。

该- di/dt在主回路的布线电感上引起较大的尖峰电压- du/dt( dU/dt)，如图2所示。

这个尖峰电压与直流电源电压叠加后加在关断的ICBT 集电极和发射极C-E极之间。

如果尖峰电压很大，可能使叠加后的总电压UCE超出IGBT的反向安全工作区，或者由于dU/dt太大而引起误导通，两者都会对IGBT造成损害。

1.3缓冲吸收电路结构及其工作原理
抑制过电压的有效方法是采用缓冲吸收电路。

IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型两类。

充放电型吸收回路由于功耗较大，当运行频率较高时会严重影响装置的运行效率。

对电动汽车双向功率变换器而言，IGBT开关频率为20 kHz，频率较高，应采用放电阻止型暖收电路。

如图3所示，双IGBT缓冲吸收电路的主要类型有三种C型放电阻止型、RCD型放电阻止型和双RCD 型放电阻止型吸收回路。

图3中，La1、La2为主电路导线的寄生电感与滤波电容ca的寄生电感之和cs，Ls为吸收电容为Cs的寄生电感，Rs为放电电阻，吸收电容Cs应采用无感（低感）专用吸收电容。

三种形式的缓冲吸收电路共同特点是既可以减低电流和电压的交叉点以减小关断损耗，又可以减小关断时的d U/dt和d//dt。

但是各类吸收回路亦存在其缺点：图3(a)开通时有浪涌电流冲击，适用于小容量IGBT装置(<50 A)；图3(b)吸收慢，电阻功耗大，适用于中等容量的装置(< 200 A)；图3(c)结构相对复杂，每个ICBT单元均有一个RCD放电阻止型缓冲吸收电路，具有更好的吸收效果，用于大容量的装置中(> 200 A)，但当IGBT 开通时，会附加一个电容的充电电流，造成开通浪涌电流，因此需要一个小电感来限制浪涌电流，但该电路优点却大于前两者，IGBT关断时，吸收电容能向负载放电，因此吸收电路的损耗要小得多。

针对电动汽车双向功率变换器主回路，选用双RCD型放电阻止型吸收回路。

2缓冲吸收电路设计
2.1双RCD型缓冲吸收电路元件参数设计
缓冲电路的作用，就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。

为了使IGBT关断过电压能得到有效的抑制并减小关断损耗。

对缓冲吸收电路的要求是：
1量减小主电路的布线电感；
2吸收电容应采用低感或无感吸收电容，它的引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子上；
3吸收二极管应用快速开通和快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。

如图l、图2和图3所示，Tl管正常导通工作时流过负载电流为Ic
现将Tl管关断，Tl管恢复阻断能力过程中，由于续流二极管Ds有延时导通时间Toff，同时主电路中有寄生电感存在，则负载电流Ic不能突变，在Toff时间内迫使负载电流经Tl管集电极与发射极间的寄生电容Gs流通，且在功率管上产生关断损耗，此时Tl管两端电压的变化规律为
Toff越大，vec也越大，因此续流二极管Ds必须是快恢复二极管。

当Toff大小一定时，功率簪关断过程中，在集电极与发射极C-E两端并接上一个容值较大的电容Cs，则可将部分负载电流从功率管上转到电容Cs上，降低功率管的关断损耗，限制过高的Ks产生，此时
由此可见外接并联电容越大，则vce越小，从功率管上转过来的负载电流越多，即从功率管上转移过来的关断损耗多，功率管的工作状况得到改善。

为保证每次关断前吸收电容的过电压放完，吸收电阻Rs应满足：
其中f为开关器件的工作频率。

同时，为了防止Cs的放电引起震荡，Rs还应满足：
设Cs1= CS2= CS，Rs1=Rs2= Rs，vcep为Cs的充电峰值电压，Ed为电源电压，根据能量守恒定律有：
则：
对于一个R-C电路，时间常数τ=R．Cs，经过3 f至Sr后，电容Cs上的残余电荷分别为原来的百分之5 、百分之0.7，所以：
不同的R-C电路参数，其缓冲效果也不同。

图4给出了不同参数组合下，IGBT集电极与发射极两端导通关断电压波形。

由图4可知，缓冲电容值越大，集电极电压上升时间和集电极电流下降时间越短。

而缓冲电阻值越大，集电极电压上升越慢．相应的导通和关断越不完全，IGBT消耗功率越大。

经实验调试，最终选择Cs= μF，Rs= 12Ω
2.2栅极串联电阻设计
IGBT为电压驱动型器件，其栅源极之间有数千皮法的极间电容，为了快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。

使其开通的栅源极间驱动电压一般取10 -15 V，在栅极串入一只低值电阻Rs可以减
小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

Rg过大，IGBT导通时间延长，损耗发热加剧Rs小，di/dt增加，可能产生误导通。

在实际试验过程中，需根据情况调整R，值。

随着栅极串联电阻阻值的增大，IGBT导通和关断时间延氏，功率损耗加大。

但也不是阻值愈小愈好。

阻值过小，电阻自身发热量增大，实验过程中温度短时间内窜至80℃。

为解决电阻发热量大的问题，可提高电阻额定功率值，进而加散热风扇。

最终选用5W功率电阻，阻值2.7Ω；并加一小功率风扇对其进行散热。

2.3 IGBT温升设计
一般情况下，流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故器件的损耗比较大，如果热量不能及时散掉，器件的结温将超过最大值，IGBT可能损坏。

功率器件损耗主要包括ICBT和快恢复功率二极管的功率损耗，而其又分别包括通态损耗和开关状态损耗。

当IGBT工作频率大于5 kHz时，其开关损耗会显著增加，随频率的提高在总损耗中所占比例也会大大增加，有时甚至超过百分之50，用带纹路的散热器时，应将ICBT
较宽的方向应顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形；为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT间涂抹导热硅脂，且一定要均匀，但不必太厚，涂覆良好的导热硅脂能有效降低热阻百分之20。

3实验研究
缓冲吸收电路没计与调试完成后，以典型的降压电路进行测试，电路电源为蓄电池(120 V)，负载电阻(3 n)，续流电感(1.5 mH)，IGBT开关频率为20 kHz。

初始以双RCD缓冲吸收试验，持续th，蓄电池电压从120 V降低到100 V，之后以传统的C型缓冲吸收电路进行试验，持续时间同样为th，试验后蓄电池电压降至80 V。

IGBT端电压及续流电感端电压测量结果分别如图6和图7历示，其中(a)为双RCD缓冲吸收电路，(b)为传统的C型缓冲吸收电路，即仅在IGBT上并联一无感电容。

双RCD缓冲吸收下，在导通和关断过渡时，ICBT集电极和发射极C-E间基本无电压冲击，导通和关断完全，如图6(a)所示。

相反如图6(b)所示，传统的C型缓冲吸收下，导通时ICBT关断较完全，基本无电压冲击，而在关断的瞬间电压冲击升至140 V。

相应的双RCD缓冲吸收下，续流电感端电压过渡平稳，无任何电压尖峰，缓冲吸收效果良好，如图7(a)
所示。

而传统的C型缓冲吸收下，ICBT导通和关断都对续流电感产生影响，尖峰脉冲最高达到75 V。

由实验结果可知，缓冲吸收回路以及所设计的相关元器件能有效地抑制尖峰电压，并可长时间工作，功率变换器的可靠性、稳定性和安全性得到验证。

4结论
详述了双RCD缓冲吸收电路结构和工作原理，并对设计的关键问题进行了分析。

通过理论计算和实验调整确定了相关电路元器件参数。

研究结果表明缓冲电容值越大，集电极电压上升时间和集电极电流下降时间越短。

而缓冲电阻越大，集电极电压上升越慢，相应的导通和关断不完全，ICBT消耗功率越大。

合理的阻容值可使IGBT在导通和关断时基本无电压冲击，并可长时间工作于不同工况下，具有良好的稳定性和可靠性。