大功率IGBT中濾波電容的選擇與計(jì)算

由于IGBT類電源的特殊性，于一般的電源相比其中很多器件都會(huì)有相應(yīng)的改動(dòng)。濾波電容就是其中一個(gè)變動(dòng)較大的器件。為了為大功率電源進(jìn)行不間斷的供電，濾波電容需要擁有較大的外接容量。那么這種電容應(yīng)該如何進(jìn)行設(shè)計(jì)呢?本文就將從幾個(gè)不同的方面來(lái)進(jìn)行介紹。

第一、濾波電容的功能

由于IGBT柵極的寄生電容比較大，柵極電壓變化時(shí)就會(huì)需要很大的柵極充放電電流，而IGBT驅(qū)動(dòng)器的功能就是放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)并提供這個(gè)電流。驅(qū)動(dòng)電流來(lái)自電源，但是普通電源的瞬間電流供電能力遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到IGBT驅(qū)動(dòng)器的要求。因此這時(shí)就需要給電源輸出端并聯(lián)一個(gè)大電容提供這個(gè)瞬時(shí)的大電流。

第二、濾波電容的要求

由于IGBT驅(qū)動(dòng)器瞬間驅(qū)動(dòng)電流的大小決定了IGBT的柵極電壓變化速度，因此IGBT的驅(qū)動(dòng)電流決定了IGBT的開(kāi)關(guān)速度。由于IGBT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流由電源的濾波電容提供，因此濾波電容的瞬間供電能力決定了IGBT的開(kāi)關(guān)性能。由于電容的內(nèi)阻和寄生電感是阻礙電容瞬間供電能力的主要因素，因此對(duì)于電源濾波電容的一個(gè)主要要求就是采用低內(nèi)阻電容。

需要指出的是，如果選擇的電容內(nèi)阻太高，在IGBT驅(qū)動(dòng)器提供瞬間大電流的時(shí)候，濾波電容上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)瞬間降低的電壓。如果用示波器測(cè)試就會(huì)看到一個(gè)明顯的V型壓降。這個(gè)電壓會(huì)給電源造成頻繁的瞬時(shí)的過(guò)載，嚴(yán)重降低電源及驅(qū)動(dòng)器的可靠性及壽命。更嚴(yán)重的情況下還可能導(dǎo)致IGBT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)異常而出現(xiàn)誤動(dòng)作。

第三、濾波電容的選取

濾波電容的要求是要選擇低內(nèi)阻電容，但是選取的時(shí)候還是有兩點(diǎn)需要注意的地方：

首先是濾波電容的容值選取。濾波電容并不是越大越好，一般選取時(shí)只要滿足電壓瞬降在100mV以內(nèi)就可以了。如果選擇大了，意味著更大的電容內(nèi)阻，反而降低驅(qū)動(dòng)性能。如果選擇小了意味著電壓波動(dòng)大，會(huì)影響電路性能。以金升陽(yáng)的IGBT驅(qū)動(dòng)器QC962為例，該驅(qū)動(dòng)器的額定驅(qū)動(dòng)電流為5A。一般驅(qū)動(dòng)時(shí)間在1uS以內(nèi)。這時(shí)根據(jù)UC=IT計(jì)算只降低100mV電壓的電容為50uF?？紤]電容內(nèi)阻影響，選擇兩倍余量一般不需要超過(guò)100uF。

其次需要選擇合適的電容方案。一般大電容都選擇電解電容。由于電解電容工作原理的原因，即使低內(nèi)阻電解電容的內(nèi)阻也會(huì)比較大。這時(shí)可以選擇陶瓷電容并聯(lián)或者使用鉭電容。需要注意的是，鉭電容的抗過(guò)應(yīng)力能力差，在IGBT驅(qū)動(dòng)器這種弱電控制強(qiáng)電的應(yīng)用中容易產(chǎn)生意外的過(guò)應(yīng)力，因此需要慎重使用。

這里給大家推薦一種比較經(jīng)濟(jì)有效的電容方案。在電源輸出端并聯(lián)電解電容以后再并聯(lián)一個(gè)低內(nèi)阻的陶瓷電容。電解電容保證了電源輸出電壓基本維持穩(wěn)定，抑制了驅(qū)動(dòng)電流導(dǎo)致的電壓變化平臺(tái)。陶瓷電容則抑制了由于電解電容內(nèi)阻導(dǎo)致的瞬間電壓下降尖峰。低成本的普通電解電容和陶瓷電容搭配使用可以達(dá)到良好的高低頻濾波效果。需要注意的是，這種應(yīng)用中一般需要將電解電容取值設(shè)計(jì)為計(jì)算值，而低內(nèi)阻的陶瓷電容則根據(jù)電流大小和電解電容的內(nèi)阻選擇，一般只要10uF以內(nèi)即可。

電容值計(jì)算方法：C=It/U。如果IGBT的開(kāi)通時(shí)間非常短，比如100ns級(jí)，則C=0.1V/5A/0.1US=0.2μF。

計(jì)算出的電容為5uF。100nS級(jí)的開(kāi)關(guān)速度一般MOS管或者小功率IGBT才能達(dá)到。由于開(kāi)關(guān)過(guò)程中的柵極充放電荷很少，因此只需要較小的電容就能達(dá)到濾波效果。UC=IT是電荷的等價(jià)計(jì)算。需要指出的是，1uS的開(kāi)關(guān)時(shí)間是一個(gè)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于5A的IGBT驅(qū)動(dòng)器可以直接用這個(gè)時(shí)間計(jì)算。

以上就是在大功率IGBT電源中濾波電容的計(jì)算方法，由于IGBT電源大多是大功率的模式下工作，因此很多參數(shù)和計(jì)算方法與傳統(tǒng)的電源并不相同，因此很多參數(shù)需要重新進(jìn)行計(jì)算。希望大家在閱讀過(guò)本文之后能夠?qū)GBT當(dāng)中的濾波電容有進(jìn)一步的了解。