王益凡，楊圣敏，畢慶生

（貴州振華群英電器有限公司（國(guó)營(yíng)第八九一廠），貴州貴陽(yáng)， 550000）

0 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型半導(dǎo)體器件）凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術(shù)和大規(guī)模集成電路微細(xì)加工技術(shù)的精華[1~3]。其在導(dǎo)通狀態(tài)或短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。在設(shè)計(jì)上將MOS和雙極型晶體管結(jié)合起來(lái)，性能上兼?zhèn)潆p極型器件壓降小、電流密度大和MOS器件開關(guān)快、頻率特性好等雙重優(yōu)點(diǎn)[4]。反向電動(dòng)勢(shì)主要由電路回路中的雜散電感及感性負(fù)載在高頻率地接通關(guān)斷瞬間所產(chǎn)生的[5~7]，其在電子電路設(shè)計(jì)中危害極大，所產(chǎn)生的反向電壓尖峰極易損壞其他器件?；谶@一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套電壓尖峰濾波電路是非常必要的。本文設(shè)計(jì)一款電壓尖峰濾波電路采用電容、電阻及二極管設(shè)計(jì)產(chǎn)生，不同的參數(shù)及連接方法適用于不同的功率回路中，設(shè)計(jì)中主要針對(duì)電壓尖峰值及開關(guān)頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于電路中分布電感的存在，加之IGBT的開關(guān)速度較高，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并聯(lián)的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全，母線電壓UCESP=U額+Ldi/dt，如果超過(guò)IGBT的CE極耐壓值，就可能損壞IGBT[8~10]，本設(shè)計(jì)采用濾波電路作為負(fù)載回路尖峰保護(hù)系統(tǒng)，能夠?qū)⒏哂谀妇€額定電壓的電壓尖峰濾除，使負(fù)載回路電壓工作在IGBT最大耐壓范圍內(nèi)，且不影響IGBT接通關(guān)斷時(shí)間。IGBT驅(qū)動(dòng)分為高邊驅(qū)動(dòng)及低邊驅(qū)動(dòng)兩種方式。高邊驅(qū)動(dòng)是功率負(fù)載位于IGBT后端連接也就是IGBT的發(fā)射極，低邊驅(qū)動(dòng)是功率負(fù)端位于IGBT前端連接也就是IGBT的集電極。高邊驅(qū)動(dòng)及低邊驅(qū)動(dòng)濾波方式不同，高邊驅(qū)動(dòng)僅對(duì)IGBT集電極發(fā)射極（以下簡(jiǎn)稱CE極）并聯(lián)RCD電路進(jìn)行濾波，采用二極管將大功率電壓尖峰傳遞至電源正極利用電源進(jìn)行吸收尖峰電壓，采用RCD濾波電路對(duì)高頻電壓進(jìn)行有效吸收，吸收尖峰時(shí)二極管正向?qū)▽?duì)電容C進(jìn)行快速充電，當(dāng)吸收完畢后通過(guò)電阻R進(jìn)行泄放，保證下次電壓尖峰到來(lái)時(shí)電容可進(jìn)行進(jìn)一步吸收。低邊驅(qū)動(dòng)需要對(duì)負(fù)載進(jìn)行濾波及IGBT的CE極進(jìn)行濾波，負(fù)載濾波采用二極管反向并聯(lián)在負(fù)載兩端進(jìn)行續(xù)流，再并聯(lián)RCD濾波電路進(jìn)行高頻濾波，吸收電路及泄放電路采用不同回路，CE極濾波采用RCD并聯(lián)濾波與高邊驅(qū)動(dòng)類似。

2 硬件設(shè)計(jì)及器件選擇

基于設(shè)計(jì)要求，可以把濾波電路分為兩部分，分別為高邊濾波電路及低邊濾波電路。高邊濾波電路采用一組RCD濾波電路及續(xù)流二極管組成，低邊驅(qū)動(dòng)采用兩組RCD濾波電路。

■2.1 高邊驅(qū)動(dòng)濾波電路設(shè)計(jì)及選型

高邊驅(qū)動(dòng)下，濾波電路如圖1所示，續(xù)流二極管D1采用的是JHRC1000E13快恢復(fù)二極管，峰值電壓1200V，正向電流150A，反向恢復(fù)時(shí)間為150ns（VR=30V，IF=1A）可以保證在高頻率地接通關(guān)斷過(guò)程中續(xù)流二極管可快速反應(yīng)以達(dá)到續(xù)流作用，在RCD濾波電路中采用快恢復(fù)二極管D2在尖峰瞬間對(duì)電容C進(jìn)行充電消除尖峰效應(yīng)，在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中通過(guò)電阻R1進(jìn)行放電，確保下次尖峰可繼續(xù)濾除，其中二極管D1、D2選型應(yīng)為快恢復(fù)二極管，若IGBT開關(guān)頻率更高應(yīng)選取超快恢復(fù)二極管，并應(yīng)注意此處續(xù)流二極管的反向耐壓值，電阻R1采用水泥電阻，若開關(guān)頻率快可采用更高功率的電阻，該電阻作用是形成電容的放電回路，所以電阻取值應(yīng)在0~10Ω之間，具體參數(shù)需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，電容C主要是進(jìn)行尖峰的吸收，可采用無(wú)感濾波電容，容值越大IGBT的接通關(guān)斷時(shí)間越慢，容值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致尖峰吸收不完美，需尋找中間點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 高邊驅(qū)動(dòng)濾波電路

由于采用的是高邊驅(qū)動(dòng)所以負(fù)載的感性及雜散電感主要在發(fā)射極一端產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，所以在IGBT的發(fā)射極到集電極并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管D1，該續(xù)流二極管建議采用快恢復(fù)二極管，若為高壓產(chǎn)品快恢復(fù)二極管的續(xù)流能力也應(yīng)提高。另在負(fù)載的正端到功率正端設(shè)計(jì)RCD濾波電路，當(dāng)產(chǎn)生電壓尖峰時(shí)，二極管D2導(dǎo)通給電容C進(jìn)行充電在關(guān)斷過(guò)程完成后通過(guò)電阻R1對(duì)電容內(nèi)充的電進(jìn)行釋放以便于下次進(jìn)行充電濾波，此電路中二極管D1采用JHRC1000E13，二極管D2采用HER308，電容C為無(wú)感濾波電容，電阻R1為20W的水泥電阻（在快速接通關(guān)斷中功耗會(huì)比較大），其中電容容值及電阻阻值根據(jù)具體負(fù)載及功率情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

■2.2 低邊驅(qū)動(dòng)濾波電路設(shè)計(jì)及選型

低邊驅(qū)動(dòng)下，濾波電路如圖2所示，采用雙極濾波系統(tǒng)進(jìn)行反向電動(dòng)勢(shì)的濾除，其中續(xù)流二極管D4采用HER608快恢復(fù)二極管，其峰值電壓為1000V，正向電流6A，反向恢復(fù)時(shí)間為75ns（VR=30V，IF=1A），低邊驅(qū)動(dòng)下的續(xù)流二極管的正向電流較小?？旎謴?fù)二極管D1、D2、D3采用HER308，電阻采用20W的水泥電阻，作用與高邊驅(qū)動(dòng)下的作用一致，對(duì)于負(fù)載兩端的濾波電路上的二極管D2及D3作用是讓充電回路中電阻阻值小一點(diǎn)，放電回路中電阻阻值大一點(diǎn)，使其充放電不在同一回路中以達(dá)到更完美的濾波效果，電容C1、C2為無(wú)感濾波電容且C1比C2的容值小一點(diǎn)，作用與高邊驅(qū)動(dòng)中電容作用一致。

圖2 低邊驅(qū)動(dòng)濾波電路圖

由于采用的是低邊驅(qū)動(dòng)所以負(fù)載的感性及雜散電感主要在集電極一端產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，所以本設(shè)計(jì)采用雙重濾波電路對(duì)其進(jìn)行濾波處理。位于負(fù)載兩端的濾波電路由快恢復(fù)二極管D2、D3、D4及電容C2電阻R2、R3組成，其中快恢復(fù)二極管D4主要作為續(xù)流二極管使用，在IGBT集電極端有電壓尖峰產(chǎn)生時(shí)，尖峰電壓通過(guò)電容C2電阻R2及快恢復(fù)二極管D2組成充電吸收電路，在電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)通過(guò)電容C2快恢復(fù)二極管D4、D3及電阻R3組成放電回路以保證在下次尖峰產(chǎn)生后回路可繼續(xù)進(jìn)行吸收濾波。其中快恢復(fù)二極管D4采用HER608，快恢復(fù)二極管D2、D3采用HER308，電阻R2、R3采用20W水泥電阻，電容C2采用無(wú)感濾波電容。位于IGBT集電極和發(fā)射極兩端的濾波電路采用快恢復(fù)二極管D1、電阻R1及電容C1組成，其中當(dāng)尖峰產(chǎn)生時(shí)快恢復(fù)二極管D1對(duì)電容C1進(jìn)行充電吸收尖峰，待回路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)通過(guò)電阻R1進(jìn)行放電以達(dá)到下次濾波準(zhǔn)備。其中快恢復(fù)二極管D1采用HER308，電阻R1采用20W的水泥電阻，電容C1采用無(wú)感濾波電容。

■2.3 PCB布局及注意事項(xiàng)

在濾波電路原理確定的前提下，PCB布局也是尤為重要的。如圖3所示為負(fù)載兩端濾波電路系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)載回路濾波系統(tǒng)應(yīng)注意續(xù)流二極管應(yīng)采用印制板開窗的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要情況下采用表面鍍錫增大過(guò)電流能力，減小回路中的雜散電感，無(wú)感濾波電容應(yīng)靠近PCB邊緣且放電回路與吸收回路盡可能的距離相等。濾波電路與負(fù)載連接應(yīng)盡量采用長(zhǎng)度短導(dǎo)電性好的導(dǎo)線進(jìn)行連接。

圖3

設(shè)計(jì)IGBT的CE極間濾波電路時(shí)，如圖4所示為CE兩端濾波電路系統(tǒng)。充電回路上的二極管與放電回路中的電阻也應(yīng)采用等長(zhǎng)等間等距的設(shè)計(jì)布局，極間濾波電路與IGBT連接也應(yīng)采用長(zhǎng)度短導(dǎo)電性好的導(dǎo)線進(jìn)行連接。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證若濾波電路連接線過(guò)長(zhǎng)濾波效果會(huì)大打折扣，甚至?xí)适г械臑V波效果。

圖4

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以額定電壓200V為例進(jìn)行關(guān)斷電壓尖峰監(jiān)測(cè)，示波器2通道為IGBT的CE極端電壓，3通道為負(fù)載回路電流。本實(shí)驗(yàn)采用雙脈沖測(cè)試方法，脈沖寬度為20μs，脈沖間隔為180μs。

圖5為未使用濾波電路時(shí)的電壓尖峰圖，由圖中可知在IGBT關(guān)斷過(guò)程時(shí)IGBT的CE極端電壓會(huì)突變至900V左右，若IGBT耐壓低于900V則極易使IGBT損壞，且關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓振蕩持續(xù)約60μs。

圖5 未使用濾波電路的波形圖

圖6為使用濾波電路后的電壓尖峰圖，由圖中可知在IGBT關(guān)斷過(guò)程時(shí)原本在IGBT的CE極端產(chǎn)生的900V電壓尖峰被濾除至220V左右，且電壓振蕩時(shí)間縮短至20μs左右。極大地提升了IGBT的安全性，使IGBT始終工作在安全電壓下。

圖6 使用濾波電路的波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電壓尖峰產(chǎn)生的方式及尖峰電壓的吸收泄放進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)的濾波電路系統(tǒng)，具有高效的電壓尖峰濾除效果，大大提高了功率負(fù)載工作的安全性，且可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)設(shè)計(jì)中的參數(shù)進(jìn)行更改使其應(yīng)用更加廣泛。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，完成整體的硬件原理設(shè)計(jì)及器件參數(shù)選型，解決了因?yàn)殡妷杭夥鍖?dǎo)致IGBT損壞的問(wèn)題。該濾波電路原理簡(jiǎn)潔，濾波效果好，穩(wěn)定性高，已成功應(yīng)用于某功率控制系統(tǒng)中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。