雜散電感
雜散電感
雜散電感是指由電路中的導體如:連接導線、元件引線、元件本體等呈現出來的等效電感。
變流器雜散電感會使IGBT的集、射極之間產生較高的電壓尖峰,從而造成較大的電磁干擾,甚至導致絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)損壞。若能測量變流器雜散電感,則可在一定程度上預估該電壓尖峰,並設計適當的緩衝電路。IGBT技術不能落後於應用要求。因此,推出了最新一代的IGBT晶元以滿足具體應用的需求。與逆變器設計應用功率或各自額定電流水平相關的開關速度和軟度要求是推動這些不同型號器件優化的主要動力。這些型號包括具備快速開關特性的T4晶元、具備軟開關特性的P4晶元和開關速度介於T4和P4之間的E4晶元。
在大功率變流器中,由於元器件和直流母排存在雜散參數,IGBT開通和關斷過程中會產生較大的電壓和電流尖峰,特別是IGBT關斷瞬間集射極間的電壓尖峰很大,增大了開關損耗,產生較強的電磁干擾,甚至引起電路諧振。大功率變流器中的雜散參數包括母線電容寄生電感、母排雜散電感和電阻、開關器件引線電感和連接螺栓雜散電感等,其中影響IGBT開關特性的主要是母排雜散電感。
為了降低母排雜散電感,大功率變流器中普遍採用疊層母排,以降低關斷電壓尖峰,減小緩衝電路的壓力。由於疊層母排結構通常比較複雜,採用解析方法計算雜散參數的精度很低,因此通常採用數值計演演算法(如有限元法、部分單元等效電路法等)、建模模擬法(Ansoft Maxwell軟體、Ansoft Q3D Extractor 軟體等),但建模過程繁瑣複雜,模擬軟體價格昂貴;也可採用阻抗分析儀直接測量,但阻抗分析儀適合測量分立器件,對雜散參數測量精度較低。更實用的方法是採用間接測量法,利用測試電路獲取IGBT開通和關斷瞬態電壓過沖和對應的電流變化率di(t)/dt,並根據電感伏安特性u(t)=Ldi(t)/dt 來計算母排雜散參數。由於IGBT開關過程中電流變化率不斷變化,為了降低具體選擇的開關時刻隨機性誤差,文獻將IGBT的開關過程分為多個階段,並選擇其中對雜散電感提取最有利的階段進行計算。
研究提出了一種基於IGBT開關過程的變流器雜散電感間接測量方法,在直流母線端並聯吸收電容,採用雙脈衝測試方法測量IGBT的開通和關斷瞬態曲線。在考慮二極體反向恢復和吸收電容的情況下,詳細分析了IGBT關斷和開通瞬態曲線,將IGBT關斷過程等效為LC諧振電路,通過測量開關過程諧振參數來計算變流器的雜散參數;選擇IGBT開通過程中適合進行雜散參數提取的有效時段,通過最小二乘法計算,從而計算變流器雜散電感。最後,通過雙脈衝測試方法對西門康功率器件SKM400GAL176D的開關過程進行測試,獲取其開通和關斷瞬態曲線來驗證此方法。
圖1 帶吸收電容的測試電路原理
圖2 IGBT關斷瞬態過程等效電路
V關斷瞬態過程的等效電路和瞬態電壓、電流波形分別如圖2和圖3所示,分析如下。
(1)t~t階段:IGBT處於開通狀態,其電壓u(t)等於額定壓降V。
(2)t~t階段:t時刻IGBT開始關斷,其內部等效電阻增大,電壓u開始上升,在t時刻達到u(t)。t時刻二極體為截止狀態,u逐漸下降,在t時刻降為0 V。二極體電流i(t)略增,IGBT電流i(t)略降;i(t)略降。在此階段中,L上di/dt基本無變化,不適用於提取雜散參數。
圖3(a)瞬態電流
(4)t~t階段:i逐漸升高,i緩慢降低至0。t時刻u降為0。此後i(t)與I相同。
從以上分析可見,在IGBT關斷瞬態中,可以通過t~t階段中u的諧振周期來計算。在此過程中,LC、L、C形成2階諧振迴路,由於C電壓保持恆定,在諧振電路分析中可以將其視為短路。因此,可選取兩個不同容值的吸收電容分別進行測量,則有
通過上式即可計算出變流器雜散電感L。
圖4 IGBT開通瞬態過程等效電路
(1)t~t階段:V處於關斷狀態,其電壓u(t)等於母線電壓U;直流母線電流i(t)為0,負載電流I通過二極體D續流。D端電壓為0(忽略二極體壓降),電流流向如圖4(a)所示。
(2)t~t階段:t1時刻開通,電流i(t)從0開始增長,到t時刻等於負載電流I。在此期間i(t)線性增加,i(t)逐漸減小,到t時刻,i(t)降為0。i(t)的電流一部分由吸收電容i(t)提供,另一部分由母線電流i(t)提供。在此階段,母線電流i(t)線性增長,di/dt值較大,L上感應電壓u(t),導致u(t)下降。因此,此階段適合用於提取雜散參數。
圖5 IGBT開通瞬態電流電壓波形
(4)t~t階段:t時刻反向恢複電流開始減小,到t時刻關斷。此後i(t)與I相同。
(5)t~t階段:L、C、L、C形成2階諧振迴路,諧振電流為i(t)、諧振電壓為u(t)。但諧振電流值i(t)很小,難以準確測量。
晶閘管自世紀年代產生已有年歷史,其耐壓、耐流能力與其它的電力電子器件相比均為最高,在大功率電力電子設備中佔主導地位晶閘管的開關過程是由器件自身半導體特性、溫度、器件的緩衝吸收電路以及相關電路雜散參數共同作用下的複雜動態過程,后兩者是變換器設計時重點考慮和研究的問題由於大容量電力電子變換器對絕緣、耐壓和散熱的要求高,使得電路尺寸變大、雜散電感大,對器件開關特性的影響加重基於晶閘管的半橋逆變電路,對雜散電感所引起的環流、電壓尖峰、電流尖峰問題進行了詳細的分析並給出了相應的抑制措施。
圖6 半橋逆變主電路
圖7 環流問題示意圖
在設備的運行過程中,當晶閘管T導通時,流過T的電流有一個大的電流毛刺。幾乎同時,在已關斷的晶閘管T上產生一個很大的電壓毛刺。電壓毛刺電流毛刺的存在會增大器件的開關損耗,甚或導致逆變顛覆,導致器件損壞。其產生原因分析如下:如圖8所示,當T導通時,D正在續流,由於D存在反向恢復過程,不能馬上截止,所以電源E直接加在D、T上,將產生很大的電流。故在T導通的瞬間,流過T的電流有一個大的電流毛刺。隨後D反向恢復過程截止,流過D、T的大電流突然消失,在雜散電感L、L、L上產生高壓,加在T和D上。D續流,T導通時,也會有同樣的問題。
圖8 T2導通時的示意圖