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。一些初次应用全控型器件的读者或许有这样的感受:器件莫名其妙损坏。虽然原因颇多，但缓冲电路和缓冲电容选择不当是不可忽略的重要原因。
2 缓冲原理
器件损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt、dv/dt或瞬时功耗的危害而造成的。缓冲电路的作用，就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。
图1 gtr的开关波形
图2 复合式缓冲电路
图1所示为gtr驱动感性负载时的开关波形。不难看出，在开通和关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，因而瞬时功耗也最大。加入缓冲电路，可将开关功耗转移到相关电阻上消耗掉，达到了保证器件安全运行的目的。
典型复合式缓冲电路如图2。当gtr关断时，负载电流经缓冲二极管d向缓冲电容c充电，同时集电极电流 ic逐渐减少。由于电容c两端电压不能突变，所以有效地限制了gtr集电极电压上升率dv/dt，也避免了集电极电压uc和集电极电流ic同时达到最大值。gtr集电极母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感，在gtr开通时储存的能量1/2 li2，这时转换成1/2 cv2储存在缓冲电容c中。当gtr开通时，集电极母线电感以及其他杂散电感，又有效地限制了gtr集电极电流上升率di/dt，同样也避免了集电极电压uc和集电极电流ic同时达到最大值。此时，缓冲电容c通过外接电阻r和gtr开关放电，其储存的开关能量也随之在外接电阻和电路、元件内部电阻上消耗掉。如此，便将gtr运行时产生的开关损耗，转移到缓冲电路，最后在相关电阻上以热的形式消耗掉，从而保护了gtr安全运行。
缓冲电容c容量不同，其缓冲效果也不相同。图3画出了不同容量下gtr电流、电压关断波形。图3(a)为无缓冲电容时的波形，图3(b)为缓冲电容c容量较小时的波形，图3(c)为缓冲电容c容量较大时的波形。不难看出，无缓冲电容时，集电极电压上升时间极短，致使电流、电压同时达到最大，因而瞬时功耗最大。缓冲电容c容量较小时，集电极电流下降至零之前，其电压已上升至电源值，瞬时功耗较大。缓冲电容c容量较大时，集电极电流下降至零之后，其电压才上升至电源值。瞬时功耗较小。
图3 gtr电流、电压关断时
3 igbt缓冲电路
通用的igbt缓冲电路有三种形式，如图4。图4(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，用作对瞬变电压有效而低成本的控制，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，适用于较大功率igbt模块，缓冲二极管d可箝住瞬变电压，从而能抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。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，功能类似于图4(b)缓冲电路，其回路电感更小。若同时配合使用图4(a)缓冲电路，还能减小缓冲二极管的应力，使缓冲效果更好。
图4 通用的三种igbt缓冲电路
igbt采用缓冲电路后典型关断电压波形如图5。图5中，vce起始部分的毛刺δv1是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。其值由下式计算:
δv1=ls×di/dt (1)
式中ls为缓冲电路的寄生电感，di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流上升率，其最恶劣的值接近0.02ic(a/ns)。
如果δv1已被设定，则可由式(1)确定缓冲电路允许的最大电感量。例如，设某igbt电路工作电流峰值为400a，δv1≤100v，则在最恶劣情况下，
di/dt=0.02×400=8(a/ns)
由式(1)得:
ls=δv1/(di/dt)=100/8=12.5(nh)
图5中δv2是随着缓冲电容的充电，瞬态电压再次上升的峰值，它与缓冲电容的值和母线寄生电感有关，可用能量守恒定律求值。如前所述，母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感，在igbt开通时储存的能量要转储在缓冲电容中，因此有
1/2lpi2=1/2cδv22 (2)
式中，lp为母线寄生电感，
i为工作电流，
c为缓冲电容的值，
δv2为缓冲电压的峰值。
同样，如果δv2已被设定，则可由式(2)确定缓冲电容的值。
从式(1)和式(2)不难看出，大功率igbt电路要求母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感愈小愈好。这不仅可以降低δv1，而且可以减小缓冲电容c的值，从而降低成本。
表1针对不同直流母线电感量，列出缓冲电容的推荐值。该表是设定δv2≤100v时由式(2)计算得出的。
图5 采用缓冲电路后igbt的关断电压波形
还有一种经验估算的办法，通常以每100a集电极电流约取1μf缓冲电容值。这样得到的值，对于很好的控制瞬态电压是充分的。
4 美cde电容模块在缓冲电路中的应用
由前面的讨论得知，母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感，对igbt电路尤其是大功率igbt电路，有极大的影响。因此，希望它愈小愈好。要减小这些电感，需从多方面入手。
(1) 直流母线要尽量地短;
(2) 缓冲电路要尽可能地贴近模块;
(3) 选用低电感的聚丙烯无极电容，与igbt相匹配的快速缓冲二极管，以及无感泄放电阻;
(4) 其它有效措施。
目前，缓冲电路的制作工艺也有多种方式:有用分离件连接的;有通过印制版连接的;更有用缓冲电容模块直接安装在igbt模块上的。显然，最后一种方式因符合上述第(2)、(3)种降感措施，因而缓冲效果最好，能最大限度地保护igbt安全运行。
美cde是一家老牌跨国公司，其电容产品因品质优越为美国家宇航局选用，随航天器而播誉太空。cde公司的缓冲电容模块就能充分满足igbt电路尤其是大功率igbt电路对缓冲电路的要求。cde公司的缓冲电容模块有sct、scm和scc三型，其选型参数见表2。
a) sct型电容模块为一单元缓冲电容封装，构成图4(a)缓冲电路。适用于中、小电流容量的igbt模块，以吸收高反峰瞬变电压。容量0.22μf-4.7μf，直流电压600v、1000v、1200v、1600v、2000v五档。其特点是，低介质损耗，低电感(<20 nh)，有自修复能力，防火树脂封装，直接安装在igbt模块上。
b) scm型电容模块为一单元缓冲电容与缓冲二极管封装，与外接电阻构成图4(b)缓冲电路。适用于中、小电流容量的igbt模块。根据缓冲电容位置的不同，有p型和n型之分:电容模块中缓冲电容与p母线相连的称p型，与n母线相连的称n型。n型电容模块适合于一或两单元igbt模块。若用两个一单元igbt模块串联并采用图4(c)缓冲电路，则p型并接p母线端igbt模块，而n型并接n母线端 igbt模块。容量范围0.47μf-2.0μf，直流电压600v、1200v两档。其特点是，低介质损耗，低电感量，缓冲电容与快恢二极管一体封装，有导线与外接电阻相连，防火树脂封装，直接安装在igbt模块上。
c)scc型电容模块为两单元缓冲电容与缓冲二极管封装，与外接电阻构成图4(c)缓冲电路。适用于大电流容量的两单元igbt模块。容量0.47μf-2.0μf，直流电压600v、1200v两档。其特点是，低介质损耗，低电感量，高峰值电流，缓冲电容与超快恢二极管一体封装，有导线与外接电阻相连，防火树脂封装，直接安装在igbt模块上。
5 结束语
以上简单地讨论和介绍，其目的是想引起读者对缓冲电路和缓冲电容选择问题的充分重视。在可能的情况下，最好选用适当的电容模块构成适当的缓冲电路，并直接安装在igbt模块上。这样，莫名其妙损坏igbt模块的机率，也许会小得多。
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