1. 谐振电感的选择
从电路工作过程分析可知,理想情况下谐振电感从零充电至预置电流 Ix 所需时间为
(5-7)
预置电流 Ix 的选择取决于两个因素:一是保证续流二极管软关断,谐振电感充电时间应略长于主开关上续流二极管的反向恢复时间;二是为可靠进行谐振,Ix 应大于最大相输出电流一个固定数量,使谐振开始时谐振电感中储存足够能量。在此选择
(5-8)
假定续流二极管反向恢复时间为 600 ns、取预置电流最大充电时间为 2000 ns=2 μs、母线电压 510 V、预置电流 Ix≈180 A,则电感 Lr 的选择为
2. 吸收电容(谐振电容)的选择
功率开关器件关断的初始浪涌电压 △U1 之后,随吸收电容充电,瞬态电压再次上升。第二次上升峰值 △U2 是吸收电容值与母线寄生电感的函数。为确定 △U2 数量级,可用能量守恒定律获得式(5-9):
(5-9)
式中 Lp 为母线寄生电感,ic 为功率开关器件工作电流,C 为吸收电容值,△U2 为吸收电压峰值。若给 △U2 设定限值,便可按式(5-9) 对给定功率电路确定 C 值:
表5-1 推荐的吸收电路设计
表5-1 给出三菱公司针对 H 系列 IGBT 推荐的吸收电路设计,实验证明也适用于其他公司 IGBT。使用该表的两个设定条件是:①缓冲电路处理最大电流为该模块额定电流,对短路产生的过大电流已采用降低栅-射电压 UGE、钳位 UGE 等办法限制;②按 C 型缓冲电路设计的缓冲电容 Cs 值以 △U2=100 V 计算得出。
按前述选择,对额定电流 300 A 的主功率开关器件,由表5-1 推荐值可得吸收电容应选 0.47 μF。考虑到该推荐值为采用 RC 吸收网络时的选择值,对吸收电容直接并接在每个功率开关器件两侧的情况,吸收电容选择值还可更小,此处选吸收电容(谐振电容)值 Cr1~Cr6 为 0.2~0.3 μF。大功率 IGBT 电路需极低电感量吸收电路,故吸收电容应选无感电容为佳。
吸收网络元件特性非常重要。因电流变化率非常大,吸收电路及其元件内部很小的寄生电感就可使网络几乎完全失效。为减小寄生电感需多方面入手:①直流母线尽量短;②缓冲吸收电路尽量贴近 IGBT 管;③选用无感突波电容及与 IGBT 相匹配的快速缓冲二极管。
目前缓冲吸收电路多用分立件连接,也有用缓冲电容模块直接安装在 IGBT 上,后一种方式吸收效果较好。美国 CDE 公司的缓冲电容模块能充分满足 IGBT 电路(尤其高频大功率)对吸收网络的要求,其 SCC 型电容模块为两单元无感突波缓冲电容与缓冲二极管一体封装,便于与外接器件构成简单可靠的吸收电路。模块电容容量 0.47~2.0 μF 可选,直流电压分 600 V 与 1200 V 两挡,特点是低介质损耗、低电感量、高峰值电流、缓冲二极管极低恢复电荷、防火树脂封装、有导线与外部相连。
吸收网络一般选小功率快恢复二极管,它承受低的平均电流与大的峰值电流;特别是二极管必须有较低的恢复电荷,若恢复电荷过大,电容器储存的能量将不能保证网络下一周期复位。CDE 缓冲电容模块封装的超快恢复二极管在这方面性能优异。此外,与电容并联的电感器必须最小化,应通过改变绕组结构减小绕组寄生电容:层绕法寄生电容最大,分段绕与叠绕技术可减小寄生电容。