大功率IGBT中濾波電容的選擇與計算

      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有相應(yīng)的改動。濾波電容就是其中一個變動較大的器件。為了為大功率電源進行不間斷的供電，濾波電容需要擁有較大的外接容量。那么這種電容應(yīng)該如何進行設(shè)計呢?本文就將從幾個不同的方面來進行介紹。
  、濾波電容的功能
  由于IGBT柵極的寄生電容比較大，柵極電壓變化時就會需要很大的柵極充放電電流，而IGBT驅(qū)動器的功能就是放大驅(qū)動信號并提供這個電流。驅(qū)動電流來自電源，但是普通電源的瞬間電流供電能力遠無法達到IGBT驅(qū)動器的要求。因此這時就需要給電源輸出端并聯(lián)一個大電容提供這個瞬時的大電流。
  第二、濾波電容的要求
  由于IGBT驅(qū)動器瞬間驅(qū)動電流的大小決定了IGBT的柵極電壓變化速度，因此IGBT的驅(qū)動電流決定了IGBT的開關(guān)速度。由于IGBT驅(qū)動器的驅(qū)動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，因此對于電源濾波電容的一個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)動器提供瞬間大電流的時候，濾波電容上會出現(xiàn)一個瞬間降低的電壓。如果用示波器測試就會看到一個明顯的V型壓降。這個電壓會給電源造成頻繁的瞬時的過載，嚴重降低電源及驅(qū)動器的可靠性及壽命。更嚴重的情況下還可能導(dǎo)致IGBT驅(qū)動器的驅(qū)動電路出現(xiàn)異常而出現(xiàn)誤動作。
  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，但是選取的時候還是有兩點需要注意的地方：
  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)動性能。如果選擇小了意味著電壓波動大，會影響電路性能。以金升陽的IGBT驅(qū)動器QC962為例，該驅(qū)動器的額定驅(qū)動電流為5A。一般驅(qū)動時間在1uS以內(nèi)。這時根據(jù)UC=IT計算只降低100mV電壓的電容為50uF。考慮電容內(nèi)阻影響，選擇兩倍余量一般不需要超過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)阻也會比較大。這時可以選擇陶瓷電容并聯(lián)或者使用鉭電容。需要注意的是，鉭電容的抗過應(yīng)力能力差，在IGBT驅(qū)動器這種弱電控制強電的應(yīng)用中容易產(chǎn)生意外的過應(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)動電流導(dǎo)致的電壓變化平臺。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)計為計算值，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。
  電容值計算方法：C=It/U。如果IGBT的開通時間非常短，比如100ns級，則C=0.1V/5A/0.1US=0.2μF。
  計算出的電容為5uF。100nS級的開關(guān)速度一般MOS管或者小功率IGBT才能達到。由于開關(guān)過程中的柵極充放電荷很少，因此只需要較小的電容就能達到濾波效果。UC=IT是電荷的等價計算。需要指出的是，1uS的開關(guān)時間是一個計算的經(jīng)驗值，對于5A的IGBT驅(qū)動器可以直接用這個時間計算。
  以上就是在大功率IGBT電源中濾波電容的計算方法，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)需要重新進行計算。希望大家在閱讀過本文之后能夠?qū)GBT當中的濾波電容有進一步的了解。