一種IGBT負載回路濾波電路的設計

王益凡，楊圣敏，畢慶生

（貴州振華群英電器有限公司（國營第八九一廠），貴州貴陽， 550000）

0 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型半導體器件）凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術和大規模集成電路微細加工技術的精華[1~3]。其在導通狀態或短路狀態都可以承受電流沖擊。在設計上將MOS和雙極型晶體管結合起來，性能上兼備雙極型器件壓降小、電流密度大和MOS器件開關快、頻率特性好等雙重優點[4]。反向電動勢主要由電路回路中的雜散電感及感性負載在高頻率地接通關斷瞬間所產生的[5~7]，其在電子電路設計中危害極大，所產生的反向電壓尖峰極易損壞其他器件。基于這一現狀，設計一套電壓尖峰濾波電路是非常必要的。本文設計一款電壓尖峰濾波電路采用電容、電阻及二極管設計產生，不同的參數及連接方法適用于不同的功率回路中，設計中主要針對電壓尖峰值及開關頻率進行設計。

1 系統設計

由于電路中分布電感的存在，加之IGBT的開關速度較高，當IGBT關斷時及與之并聯的反向恢復二極管逆向恢復時，就會產生很大的浪涌電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全，母線電壓UCESP=U額+Ldi/dt，如果超過IGBT的CE極耐壓值，就可能損壞IGBT[8~10]，本設計采用濾波電路作為負載回路尖峰保護系統，能夠將高于母線額定電壓的電壓尖峰濾除，使負載回路電壓工作在IGBT最大耐壓范圍內，且不影響IGBT接通關斷時間。IGBT驅動分為高邊驅動及低邊驅動兩種方式。高邊驅動是功率負載位于IGBT后端連接也就是IGBT的發射極，低邊驅動是功率負端位于IGBT前端連接也就是IGBT的集電極。高邊驅動及低邊驅動濾波方式不同，高邊驅動僅對IGBT集電極發射極（以下簡稱CE極）并聯RCD電路進行濾波，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行吸收尖峰電壓，采用RCD濾波電路對高頻電壓進行有效吸收，吸收尖峰時二極管正向導通對電容C進行快速充電，當吸收完畢后通過電阻R進行泄放，保證下次電壓尖峰到來時電容可進行進一步吸收。低邊驅動需要對負載進行濾波及IGBT的CE極進行濾波，負載濾波采用二極管反向并聯在負載兩端進行續流，再并聯RCD濾波電路進行高頻濾波，吸收電路及泄放電路采用不同回路，CE極濾波采用RCD并聯濾波與高邊驅動類似。

2 硬件設計及器件選擇

基于設計要求，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濾波電路及續流二極管組成，低邊驅動采用兩組RCD濾波電路。

■2.1 高邊驅動濾波電路設計及選型

高邊驅動下，濾波電路如圖1所示，續流二極管D1采用的是JHRC1000E13快恢復二極管，峰值電壓1200V，正向電流150A，反向恢復時間為150ns（VR=30V，IF=1A）可以保證在高頻率地接通關斷過程中續流二極管可快速反應以達到續流作用，在RCD濾波電路中采用快恢復二極管D2在尖峰瞬間對電容C進行充電消除尖峰效應，在穩態過程中通過電阻R1進行放電，確保下次尖峰可繼續濾除，其中二極管D1、D2選型應為快恢復二極管，若IGBT開關頻率更高應選取超快恢復二極管，并應注意此處續流二極管的反向耐壓值，電阻R1采用水泥電阻，若開關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，所以電阻取值應在0~10Ω之間，具體參數需根據實際情況調節，電容C主要是進行尖峰的吸收，可采用無感濾波電容，容值越大IGBT的接通關斷時間越慢，容值過小會導致尖峰吸收不完美，需尋找中間點進行調節。

圖1 高邊驅動濾波電路

由于采用的是高邊驅動所以負載的感性及雜散電感主要在發射極一端產生反向電動勢，所以在IGBT的發射極到集電極并聯一個續流二極管D1，該續流二極管建議采用快恢復二極管，若為高壓產品快恢復二極管的續流能力也應提高。另在負載的正端到功率正端設計RCD濾波電路，當產生電壓尖峰時，二極管D2導通給電容C進行充電在關斷過程完成后通過電阻R1對電容內充的電進行釋放以便于下次進行充電濾波，此電路中二極管D1采用JHRC1000E13，二極管D2采用HER308，電容C為無感濾波電容，電阻R1為20W的水泥電阻（在快速接通關斷中功耗會比較大），其中電容容值及電阻阻值根據具體負載及功率情況進行調節。

■2.2 低邊驅動濾波電路設計及選型

低邊驅動下，濾波電路如圖2所示，采用雙極濾波系統進行反向電動勢的濾除，其中續流二極管D4采用HER608快恢復二極管，其峰值電壓為1000V，正向電流6A，反向恢復時間為75ns（VR=30V，IF=1A），低邊驅動下的續流二極管的正向電流較小。快恢復二極管D1、D2、D3采用HER308，電阻采用20W的水泥電阻，作用與高邊驅動下的作用一致，對于負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，放電回路中電阻阻值大一點，使其充放電不在同一回路中以達到更完美的濾波效果，電容C1、C2為無感濾波電容且C1比C2的容值小一點，作用與高邊驅動中電容作用一致。

圖2 低邊驅動濾波電路圖

由于采用的是低邊驅動所以負載的感性及雜散電感主要在集電極一端產生反向電動勢，所以本設計采用雙重濾波電路對其進行濾波處理。位于負載兩端的濾波電路由快恢復二極管D2、D3、D4及電容C2電阻R2、R3組成，其中快恢復二極管D4主要作為續流二極管使用，在IGBT集電極端有電壓尖峰產生時，尖峰電壓通過電容C2電阻R2及快恢復二極管D2組成充電吸收電路，在電路達到穩態時通過電容C2快恢復二極管D4、D3及電阻R3組成放電回路以保證在下次尖峰產生后回路可繼續進行吸收濾波。其中快恢復二極管D4采用HER608，快恢復二極管D2、D3采用HER308，電阻R2、R3采用20W水泥電阻，電容C2采用無感濾波電容。位于IGBT集電極和發射極兩端的濾波電路采用快恢復二極管D1、電阻R1及電容C1組成，其中當尖峰產生時快恢復二極管D1對電容C1進行充電吸收尖峰，待回路達到穩態時通過電阻R1進行放電以達到下次濾波準備。其中快恢復二極管D1采用HER308，電阻R1采用20W的水泥電阻，電容C1采用無感濾波電容。

■2.3 PCB布局及注意事項

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所示為負載兩端濾波電路系統。在設計時負載回路濾波系統應注意續流二極管應采用印制板開窗的方式進行設計，必要情況下采用表面鍍錫增大過電流能力，減小回路中的雜散電感，無感濾波電容應靠近PCB邊緣且放電回路與吸收回路盡可能的距離相等。濾波電路與負載連接應盡量采用長度短導電性好的導線進行連接。

圖3

設計IGBT的CE極間濾波電路時，如圖4所示為CE兩端濾波電路系統。充電回路上的二極管與放電回路中的電阻也應采用等長等間等距的設計布局，極間濾波電路與IGBT連接也應采用長度短導電性好的導線進行連接。經實驗驗證若濾波電路連接線過長濾波效果會大打折扣，甚至會喪失原有的濾波效果。

圖4

3 實驗驗證

以額定電壓200V為例進行關斷電壓尖峰監測，示波器2通道為IGBT的CE極端電壓，3通道為負載回路電流。本實驗采用雙脈沖測試方法，脈沖寬度為20μs，脈沖間隔為180μs。

圖5為未使用濾波電路時的電壓尖峰圖，由圖中可知在IGBT關斷過程時IGBT的CE極端電壓會突變至900V左右，若IGBT耐壓低于900V則極易使IGBT損壞，且關斷時會產生電壓振蕩持續約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關斷過程時原本在IGBT的CE極端產生的900V電壓尖峰被濾除至220V左右，且電壓振蕩時間縮短至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 結束語

本文通過對電壓尖峰產生的方式及尖峰電壓的吸收泄放進行研究，設計的濾波電路系統，具有高效的電壓尖峰濾除效果，大大提高了功率負載工作的安全性，且可根據實際需求對設計中的參數進行更改使其應用更加廣泛。通過實驗分析驗證，完成整體的硬件原理設計及器件參數選型，解決了因為電壓尖峰導致IGBT損壞的問題。該濾波電路原理簡潔，濾波效果好，穩定性高，已成功應用于某功率控制系統中，具有較高的應用價值。