IGBT模块吸收电容选型方法

吕永宾， 胡振球， 黄一峰

(湖南中车时代电动汽车股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

IGBT模块在电动汽车变流领域应用尤为广泛，其吸收电容的选型计算成为热点。由于IGBT模块关断时会产生较高的尖峰附加电压，叠加在母线电压上容易导致IGBT模块烧毁(IGBT模块开通时的尖峰附加电压与母线电压相减使IGBT模块电压下降，因此不需要为开通过程增加吸收电容)，而合理地增加吸收电容可以解决该问题。一般可以通过试验来确定该吸收电容的参数，但该方法较为盲目，且无法确定电容参数漂移曲线上任意一点是否能保证吸收效果[1]。因此，有必要从理论上对吸收电容的选型计算进行探讨。

本文通过理论推导得到IGBT模块关断时集电极和发射极间的过压表达式，分析吸收电容参数对过压的影响，并且进行Matlab仿真验证该计算方法的可行性[2-4]。

1 计算方法推导

IGBT模块应用的典型电路如图1(a)所示。图中R、Cdc和L1模拟了IGBT模块的换流回路，其中R为换流回路寄生电阻，Cs为吸收电容，Cdc为母线支撑电容的等效串联电容，L1为换流回路总寄生电感。假设如下：

1) 换流回路和吸收电容Cs的寄生电阻R在IGBT关断时，对IGBT集电极和发射极过压产生的影响远小于回路的寄生电感和电容，此时可以忽略寄生电阻R。换流回路和吸收电容的寄生电阻一般为毫欧级，电流达到数百安培时，产生的电压也只有几伏特，远小于寄生电感产生的数百伏尖峰电压[5-6]。

2)Cdc容量远大于吸收电容Cs容量，以至于在IGBT关断到吸收电容吸收电压尖峰时，Cdc可以视为短路。图1(a)中Cdc容量一般为数百到数千微法，吸收电容容量为几纳法到几微法，该假设合理。

3) 忽略吸收电容和IGBT的漏电流，则在IGBT关断时刻有iinv=ia。其中iinv为母线电流，ia为IGBT关断电流。漏电流一般为mA级，远小于图1(a)中电路正常工作电流，忽略漏电流不影响计算结果。

由于Cs在吸收过程中其寄生参数也会造成影响，一并考虑假设的内容，故关断IGBT时Cs吸收回路等效电路图如图1(b)所示。图中，L1为寄生电感，L2为吸收电容寄生电感，C为吸收电容等效串联电容，UL为寄生电感L2产生的尖峰电压。

(a) 典型电路图

根据图1(b)可以得到以下方程：

(1)

UL=-L1di/dt

(2)

求解式(1)和式(2)组成的方程组，可以得到：

(3)

(4)

式中:i0为i关断时耦合电容的初始电流；UL表示IGBT集射极两端的过压，即尖峰电压；i和f为吸收电容承受的电流及其频率。

分析式(3)得知：UL随L1减小而减小，UL随L2和C增大而减小。因此，可以通过增加吸收电容的寄生电感和容量来减小IGBT集射极间的过压。

分析式(4)得知：该电压为无阻尼振荡波形，现考虑在图1(a)中增加系统电阻RC，与原本被忽略的换流回路寄生电阻R串联。期望通过增加寄生电阻来增加阻尼，进而降低尖峰电压[7-9]。

根据回路电压和为零，可以得到以下方程：

(5)

i=CduC/dt

(6)

式中：R为换流回路(除吸收电容外)上总的寄生电阻；RC为吸收电容的串联等效电阻；UC为电容C两端的电压。

从式(5)和式(6)可以得到：

(7)

(8)

5·2(L1+L2)/(R+RC)

(9)

(R+RC)2C≥4(L1+L2)

(10)

考虑吸收效果，电压UL不能大于某个值，且电压UL的衰减时间不能超过某个值(该时间理论上尽量不要超过死区时间，除此之外还需要考虑电磁兼容要求，在此不赘述)。由于电压的增量由式(8)决定，设式(8)中UL≤UL max，经过变换得到：

(11)

为了提高效果，并简化计算过程，可以将式(11)用式(12)代替：

(12)

式中UL max为系统允许的最大IGBT集射极过压。

式(9)、式(10)和式(12)构成吸收电容的选型要求。三条选型要求可以根据实际要求选择使用，式(11)的目的为限制过压幅值，式(9)为限制过压的持续时间，式(10)为限制过压的振荡。

考虑到很多应用场合中并不知道寄生电感，而知道测试过压波形和电流，可以根据以下公式进行近似计算[10]：

L1=ΔtUL/2i0

(13)

式中：Δt为过压的持续时间；UL为过压幅值。

2 仿真验证

图2 Matlab中搭建的仿真模型

在Matlab的Simulink中搭建如图2所示模型，设置RLC1为吸收电容参数，RLC2为换流回路参数，RLC1中电感为41 nH，C为0.1 uF，RLC2中电感为20 nH，初始电流为600 A。

图2所示仿真模型中，吸收电容RLC1两端的电压UL和吸收电容上的电流I即为IGBT承受的尖峰电压和电流。上述模型集中关注电流变化的暂态过程，模型虽然简洁，但能够真实反映IGBT模块关断瞬间电流从峰值开始被吸收电容吸收的过程。RLC1上UL和I仿真结果如图3所示。

(a) RLC1电压UL波形

图3反映了式(3)所表示的结果，即无阻尼的情况，IGBT关断时刻尖峰电压和冲击电流情况。从该仿真数据得到的结果见表1。

表1 参数计算表

从表1可以看出，没有阻尼情况下尖峰电压的大小和频率，尖峰电压达到了153 V。

现对该系统进行吸收电容选型设计，要求吸收后过压小于50 V，过压降到2%以下时间小于10 us，现根据式(9)、式(10)和式(12)都取等号，可以得到：

5·2(L1+L2)/(R+RC)=t1

(14)

(R+RC)2C=4(L1+L2)

(15)

(16)

上面三式联立，计算得到的结果见表2。

表2 参数计算表

将该参数加入到仿真模型中，仿真得到的吸收后效果图如图4所示。

(a) RLC1电压UL波形

从图4看出电压幅值降至20 V以下，持续时间不到10 us，且吸收过程无振荡，满足设计要求，由此可以看出本文所介绍的三条设计原则有效。另外，根据表2很难选到合适的电容，因此，实际应用时，需要将可选范围内的所有电容参数带入到式(11)、式(12)和式(13)中，从而选择满足三式的电容，若无法同时满足三式，则可以选择满足其中两式的电容。

3 结束语

IGBT在关断过程中会产生过压，因此，在众多场合都需要增加吸收电容来消除该过压。本文通过理论推导，得到了吸收电容的选型方法，仿真结果证明了该方法的可行性。本文方法可以推广到所有需要吸收电压尖峰的场合。