Паразитные индуктивности и емкости

Для анализа влияния паразитных индуктивностей и емкостей в преобразователе будет достаточно разобрать одну цепь коммутации. На рис.3.23 показана цепь коммутации IGBT инвертора с паразитными элементами, которая содержит источник постоянного напряжения v_d (соответствует напряжению коммутации v_k) и два IGBT ключа с драйвером и обратными диодами. Напряжение коммутации характеризуется емкостью источника C_d. В коммутационной цепи протекает ток i_L.

Рис. 3.23. Цепь коммутации с паразитными элементами

Влияние паразитных элементов / компенсации

Общая коммутационная индуктивность

В цепи коммутации T1 и D2 общей коммутационной индуктивностью будет L₁₁, L₆₁, L₃₁, L₄₁, L₇₂, L₅₂ и L₁₂. По аналогии в цепи коммутации T2 и D1 общей коммутационной индуктивностью будет L₁₁, L₇₁, L₅₁, L₆₂, L₃₂, L₄₂ и L₁₂. При активном включении Т1 или Т2, соответственно общая коммутационная индуктивность влияет на процесс включения, из-за чего уменьшиться рассеиваемая мощность на Т1 или Т2 (сп.п. 3.8).

Однако, при активном выключении Т1 или Т2, а также при обратном восстановлении D1 и D2 на транзисторах и диодах возникают коммутационные перенапряжения из-за высокого di/dt, вызванного индуктивностями. И возрастет рассеиваемая мощность выключения и перепады напряжений на силовых полупроводниках. Этот эффект особенно заметен при коротких замыканиях и перегрузках (см.п. 3.6). Кроме того, вместе с паразитными емкостями могут возникнуть нежелательные высокочастотные колебания.

Поэтому, очень важно минимизировать индуктивности в цепи коммутации преобразователей с жесткой коммутацией. Кроме L₁₁ и L₁₂, все индуктивности формируются в модулях, на которые пользователь не может влиять. Поэтому, производители силовых модулей продолжают работать над минимизацией внутренних индуктивностей и улучшением технологии сборки модулей (см.п. 1.4).

В справочных данных SEMIKRON приводит внутренние индуктивности, которые эффективны на выводах модуля (например: SKM100GB: L_CE = max. 30 нГн). Если модуль с одним ключом (1 IGBT/MOSFET + 1 обратный диод), в фазе преобразователя необходимо выполнить соединение двух модулей с наименьшей индуктивностью.

Влияние остальных индуктивностей L₁₁ + L₁₂ в силовых полупроводниках можно уменьшить при подключении С-, RC-, или RCD- цепочек прямо к выводам, на которые в модуль подается постоянное напряжение. В большинстве случаев подключается простая С- цепочка с пленочным конденсатором 0.1.2 мкФ.

Индуктивности эмиттера или истока

Элементы L₃₁ и L₃₂ - индуктивности эмиттера или истока эффективны в силовых схемах, а также в цепях драйвера транзисторов.

Из-за скорости тока транзистора di/dt, напряжения будут индуцироваться, что вызовет эффект обратной связи в цепи драйвера (ООС по эмиттеру или истоку). Это, однако, будет снижать процесс заряда емкости затвор-эмиттер при включении и разряд при выключении, в результате возрастет время коммутации и потери при коммутации.

Эффект обратной связи через эмиттер можно использовать для ограничения тока коллектора di/dt при коротких замыканиях возле модулей.

Для минимизации индуктивностей L₃₁ и L₃₂ силовые модули оснащаются раздельным выводом эмиттера для управления.

Если несколько состояний низкого уровня драйвера преобразователя питаются общим рабочим напряжением по отношению к отрицательному выводу источника питания, паразитная индуктивность между землей драйвера и отрицательным выводом источника питания может вызвать нежелательную генерацию в контуре общей шины. Эту проблему можно решить с помощью ВЧ-стабилизации рабочего напряжения драйвера возле выходного каскада, или раздельных потенциалов напряжения питания и верхних уровней драйвера в высокомощных инверторах.

Индуктивности L₂₁ и L₂₂

Индуктивности L₂₁ или L₂₂, соответственно, обозначают индуктивность питающего провода между драйвером и транзистором. Кроме возрастания импеданса в цепи драйвера, они могут вызвать паразитные генерации вместе с входной емкостью транзистора.

Емкости

Емкости Схх на рис.3.23 являются внутренними емкостями силовых полупроводников (зависят от напряжения, нелинейны) и пользователь их не может изменить. Они обозначают минимальную величину коммутационной емкости Сk и, принципиально, влияют на уменьшение рассеиваемой мощности при выключении (см.п. 0 и 3.8).

Дополнительно рассеивается мощность при активном включении из-за перезарядки коммутационных емкостей; это нужно учитывать во многих высокочастотных цепях с MOSFET (...100 кГц...). C₁₁ и C₁₁ вызывают отрицательную dv/dt обратную связь к затвору (эффект Миллера, см. рис.3.35). В комбинации с индуктивностями возле ключей, внутренние емкости могут вызвать нежелательные высокочастотные колебания.