自 1947 年问世以来，硅晶体管已经成为现代电子产品的主要组成部分。基于晶体管的元件为几乎所有行业、应用和低压电路提供无与伦比的电源和信号控制。随着晶体管性能的提升，电路优化对于保护下游硬件至关重要。
用于 IGBT 的缓冲电容器
在一些使用高压晶体管的行业中，需要采取特定的预防措施，以确保相关的外围电路有效，并防范在高压、高频操作中常见的有害影响。让我们探讨如何使用缓冲电容来降低电线的寄生电感，这是高压 IGBT 电路中常见的高频系统效应所导致的。
什么是 IGBT？
绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 主要用于中高功率的高频开关应用，因为它们的速度很有竞争力，并能以极低的信号电压控制较高的源电压。与其他依靠电流流入基极的功率晶体管不同，电流通过栅极流向 IGBT，作为晶体管的信号。这种设置可实现诸如低导通阶段压降和导通状态电流密度等特性，这在高功率控制系统中是有利的。IGBT 因其在高电压和高开关速度至关重要的应用中的使用而引人注目，例如：
- • 电动汽车
- • 空调
- • 变频驱动器
- • 工业设备
IGBT 具有高功率和高频能力，在关断时很容易出现电涌，这通常是由外围电路布线的寄生电感引起的。
电容器寄生电感：高功率 IGBT 模块
大多数高功率电路应用都涉及大量布线，用于在整个系统中分配功率。这种布线本身有电感值，这被称为寄生电感。这不仅适用于大型布线系统，而且适用于包括最小电阻在内的所有元件。
然而，在包含大量质量和布线的高功率系统中，这种电感的系统影响会更加复杂。想象一下电动汽车动力系统所需的布线数量，需要数英里的控制线和大量的高电压、高电流布线来将电池系统的电力分配给控制系统，并最终分配给传动系统。大量的布线在一起，容易产生很高的寄生电感值。如果系统不能有效地减轻这种电感的负面影响，则可能会损坏电路中的其他元件，如处于关断状态的 IGBT。
随着时间的推移，IGBT 特别容易出现这种情况，因为它们的开关频率非常高，最终导致元件在使用寿命期间出现大量的导通和关断状态。例如，如果器件 (A) 以 10 Hz 的频率开关 1 年，而器件 (B) 以 100 Hz 的频率开关 1 年，则器件 (B) 处于导通状态和关断状态的时间将是器件 (A) 的 10 倍。就 IGBT 而言，其高频特性使其比标准晶体管面临更多的导通状态和关断状态，从而使其在部件寿命期间容易因寄生电感引起的浪涌而退化和失效。
什么是缓冲电容器？
精心放置的缓冲电容器可减轻 IGBT 系统中寄生电感的影响，并消除在高功率系统中使用易产生电感的材料所带来的一些风险。使用适当大小的缓冲电容器（甚至是缓冲电容器阵列）的设计，可以显著降低寄生电感浪涌的幅度，并减少 IGBT 系统的“长期”谐波振铃。使用较大值的电容器作为缓冲电容器，可以更好地降低总浪涌值，但在给定系统谐波的情况下，可能会导致不良响铃振荡。无论如何，在关断状态寄生电感引起的浪涌期间，使用缓冲电容器可以显著降低损坏 IGBT 栅极的几率。
缓冲电容器类型
缓冲电容器旨在提高电路的性能，但它也提高了 IGBT 更有效地利用高速开关能力的能力，甚至有可能实现高频控制。高性能电容器非常适合在高性能、高功率电路中使用，因为它还必须能够应对具有挑战性的系统效应。当 Tech Web 分析缓冲电容器布局时，他们关注各种电容器配置和类型的表现，特别是测试缓冲电容器设计的各种串联和并联配置。在将两个大型 Nippon Chemi-Con 薄膜电容器与五组并联的两个陶瓷 Murata 电容器阵列进行比较时，陶瓷电容器的浪涌抑制效果几乎是大型薄膜电容器的两倍。
IGBT 缓冲电容器的选择和放置
在 IGBT 电路中设计缓冲电容器时，相对于 IGBT 的位置至关重要。由于缓冲电容器旨在最大限度降低整个系统的寄生电感，因此将缓冲电容器和 IGBT 之间的“系统”数量降至最低也非常重要。如果缓冲器电容器远离 IGBT，两个元件总成之间的材料可能会形成不必要的寄生电感，甚至进一步产生谐波浪涌，最终降低缓冲器的浪涌抑制效果，并有损坏 IGBT 的风险。缓冲电容器和 IGBT 的位置越近，IGBT 感知到的寄生电感引起的浪涌就越少。
IGBT 缓冲电容器设计
测试您的缓冲电容器设计，以避免损坏整个电路。Tech Web 的分析表明，不同的缓冲电容器元件和配置会极大地影响开关事件期间的浪涌冲击。虽然电容器大小和质量等一些参数可以控制，但电路的最终系统效应可能不太可控。为了选择最佳缓冲电容器设计，最好进行大量测试。最后，根据您需要的电路性能以及 IGBT 对浪涌的耐受程度，谨慎选择电容器。
