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一文了解寄生电感(杂散电感)

2021-1-25 17:02:40 显示全部楼层

我们都知道电力电子装置中换流回路的杂散电感对器件的开关过程影响非常大,如果前期设计不注意,后期麻烦事会非常多,例如:器件过压高、振荡严重,EMI超标等。为了解决这些问题,还要加各种补救措施,例如:针对器件过压高问题要加吸收电路,针对EMI问题要加滤波装置等等。这些额外增加的器件不但增加了系统成本,工程师还要考虑这些器件的可靠性问题。今天我们就来聊聊杂散电感,也可以称其为寄生电感。

在介绍杂散电感之前,让我们简单的回顾一下什么是电感。对于电感的概念大家应该都比较熟悉了,电感和电容、电阻一起,是电路中最基本的三大无源器件。这里的电感严格来说应该称为电感器(inductor),更强调的是一种器件,电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。


图1. 电感元件

另外,电感也可以用于衡量器件对抗电流变化的能力,如果对抗电流变化的能力越强,那么电感就越大,反之越小。这里的电感严格来说应该是电感量(inductance),单位为亨(H),一般来说电感元件的电感量在uH级以上。

电感电流不能突变的本质原因是因电流产生的磁场能不能突变,所以有人也称电感是电磁领域的惯性器件,因为惯性器件都不喜欢变化 。


图2. 电感磁场能示意图

对电感的概念有了基本了解之后,让我们再来看看杂散电感。杂散电感是指这个电感不是设计时故意设计出来的,是附加或寄生在某些东西上产生的。杂散电感的量级一般是nH级。简单来讲,有导线的地方就有寄生电感,但不同尺寸或形状的导线所携带的寄生电感也是不同的。例如,IGBT模块内部的键合线寄生电感一般都在几个nH,而电力电子常用的叠层母线要在几十nH甚至上百nH左右。


图3 杂散电感举例

前面已经提到,电感是靠磁场储存能量的,那寄生电感也会存储一定的能量,电感磁场储能的计算公式为:


举个例子,对于一个杂散电感为100nH的铜排,当流过100A的电流时,铜排上携带的磁场能量为500uJ。对于这个能量的量级可能大家的直觉并不十分明确。让我们把这个能量和功率器件的开关损耗对比一下,首先以Infineon 1700V 1400A IGBT模块为例,当门极电阻为1Ω,负载电流为1400A时,IGBT的开关损耗为700mJ左右。同样的电流在100nH的母排上会存储98mJ的能量。而对于1200V 300A模块来说,当门极电阻为4Ω,负载电流为300A时,IGBT的开关损耗为35mJ左右,而此时母排会存储4.5mJ的能量。可以看出对于IGBT来说,杂散电感的能量和IGBT每次开关损耗相比还是比较小的。


图4 infineon IGBT开关损耗

让我们再来看看SiC 模块,以Cree的1200V 300A SiC MOSFET模块为例,在门极电阻为2.5Ω,负载电流为300A时,模块的开关损耗为6mJ左右。同样的电流在100nH的母排上会存储4.5mJ的能量,这个时候母排存储的能量都可以和器件的开关损耗相当了,因为sic器件的开关损耗确实要比si器件小很多。


对杂散电感存储的磁场能量有了大致了解后,让我们看看这些能量在IGBT开关过程中是如何存储与释放的?首先看一下IGBT关断暂态过程,如图6所示:


图6 IGBT关断过程能量释放示意图

假设IGBT S1在t1时刻关断,t2时刻关断完成,这个暂态过程是杂散电感Lσ1能量释放的过程。从电压、电流方向上也可以理解该过程,关断瞬间Lσ1的电流方向是从左至右,电流的幅值迅速下降为0,产生的电压尖峰是左负右正。电压和电流的方向是相反的,因此功率是负的,所以是释放能量。释放的能量会叠加在器件的关断损耗上,最终以热的形式被耗散出去。当然,铜排的寄生电阻也会消耗一部分热量。

让我们再来看看开通过程,开通过程相对比较复杂,主要是因为存在二极管的反向恢复电流。我们根据电流的大小和方向将开通过程分为3个阶段:

①:t1-t2为电流的上升过程,该过程电流达到了负载电感电流;

②:t2-t3也是电流的上升过程,但这里面包含了二极管的反向恢复上升电流;

③:t3-t4为反向恢复电流的下降过程。


图7 IGBT开通过程能量存储与释放示意图

第1和第2阶段是杂散电感能量储存的过程,该过程电压和电流的方向相同,功率是正的,因此在吸收能量。对于这两个阶段,杂散电感上的电压会反向叠加在IGBT开通电压上,因此会有一个缺口,这样就减小了器件的开通损耗。第3阶段的尖峰会叠加在二极管的两端,这个过程比较复杂有的尖峰会超过母线电压,有的则会在二极管电压建立过程中产生一个小尖,这个主要与二极管的反向恢复特性相关。该过程杂散电感释放的能量相当于增加了一部分二极管的反向恢复损耗,但是这个能量很有限,因为铜排的电流只是从峰值电流降到了负载电流。因此从损耗的角度看杂散电感对IGBT的开通是有利的。

当然杂散电感对器件影响重点并没有体现在损耗上,主要还是开关电压尖峰。当由于外部原因(功率器件开通或关断)导致铜排上的电流“突变”时,就会在铜排两端产生电压尖峰,本质上是磁场能量的瞬间储存或释放造成的。当然,“突变”也是相对的,如果把时间轴放到到足够尺度,曲线局部也依然是平滑的,可导的。

为了让大家更直观地感受这100nH杂散电感给器件带来的影响。让我们再举几个例子,还是以上面的3个功率模块为例,对于Infineon 1700V 1400A IGBT计模来说,其关断电流的变化率为2800A/us,这个变化斜率会在100nH电感上产生280V的尖峰。对于1200 300A模块,电流的变化率为3000A/us,会产生300V的过压。


图8 Infineon IGBT模块关断参数

而对于Cree的1200V 300A SiC MOSFET模块,关断电流的变化率为7000A/us,在100nH的杂散电感上会产生700V的尖峰。


图9 Cree sic mosfet关断参数


可以看出,对于基于Si器件IGBT的逆变器来说100nH的杂散电感是可以接受的,而对于基于SiC 功率器件的逆变器这个电感就太大了。上面只是简单的计算,实际上IGBT或MOSFET的电流下降过程的斜率不是固定,一般在电流下降到中间的时候,变化率最大,这也是为什么器件关断电压是个尖峰,而不是平顶波的原因。


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