一文解析雜散電感存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量

我們都知道電力電子裝置中換流回路的雜散電感對(duì)器件的開關(guān)過(guò)程影響非常大，如果前期設(shè)計(jì)不注意，后期麻煩事會(huì)非常多，例如：器件過(guò)壓高、振蕩嚴(yán)重，EMI超標(biāo)等。為了解決這些問(wèn)題，還要加各種補(bǔ)救措施，例如：針對(duì)器件過(guò)壓高問(wèn)題要加吸收電路，針對(duì)EMI問(wèn)題要加濾波裝置等等。這些額外增加的器件不但增加了系統(tǒng)成本，工程師還要考慮這些器件的可靠性問(wèn)題。今天我們就來(lái)聊聊雜散電感，也可以稱其為寄生電感。

在介紹雜散電感之前，讓我們簡(jiǎn)單的回顧一下什么是電感。對(duì)于電感的概念大家應(yīng)該都比較熟悉了，電感和電容、電阻一起，是電路中最基本的三大無(wú)源器件。這里的電感嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)該稱為電感器（inductor），更強(qiáng)調(diào)的是一種器件，電感器是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲(chǔ)起來(lái)的元件。

圖1. 電感元件

另外，電感也可以用于衡量器件對(duì)抗電流變化的能力，如果對(duì)抗電流變化的能力越強(qiáng)，那么電感就越大，反之越小。這里的電感嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)該是電感量（inductance），單位為亨（H），一般來(lái)說(shuō)電感元件的電感量在uH級(jí)以上。

電感電流不能突變的本質(zhì)原因是因電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)能不能突變，所以有人也稱電感是電磁領(lǐng)域的慣性器件，因?yàn)閼T性器件都不喜歡變化 。

圖2. 電感磁場(chǎng)能示意圖

對(duì)電感的概念有了基本了解之后，讓我們?cè)賮?lái)看看雜散電感。雜散電感是指這個(gè)電感不是設(shè)計(jì)時(shí)故意設(shè)計(jì)出來(lái)的，是附加或寄生在某些東西上產(chǎn)生的。雜散電感的量級(jí)一般是nH級(jí)。簡(jiǎn)單來(lái)講，有導(dǎo)線的地方就有寄生電感，但不同尺寸或形狀的導(dǎo)線所攜帶的寄生電感也是不同的。例如，IGBT模塊內(nèi)部的鍵合線寄生電感一般都在幾個(gè)nH，而電力電子常用的疊層母線要在幾十nH甚至上百nH左右。

圖3 雜散電感舉例

前面已經(jīng)提到，電感是靠磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量的，那寄生電感也會(huì)存儲(chǔ)一定的能量，電感磁場(chǎng)儲(chǔ)能的計(jì)算公式為:

舉個(gè)例子，對(duì)于一個(gè)雜散電感為100nH的銅排，當(dāng)流過(guò)100A的電流時(shí)，銅排上攜帶的磁場(chǎng)能量為500uJ。對(duì)于這個(gè)能量的量級(jí)可能大家的直覺并不十分明確。讓我們把這個(gè)能量和功率器件的開關(guān)損耗對(duì)比一下，首先以Infineon 1700V 1400A IGBT模塊為例，當(dāng)門極電阻為1Ω，負(fù)載電流為1400A時(shí)，IGBT的開關(guān)損耗為700mJ左右。同樣的電流在100nH的母排上會(huì)存儲(chǔ)98mJ的能量。而對(duì)于1200V 300A模塊來(lái)說(shuō)，當(dāng)門極電阻為4Ω，負(fù)載電流為300A時(shí)，IGBT的開關(guān)損耗為35mJ左右，而此時(shí)母排會(huì)存儲(chǔ)4.5mJ的能量?？梢钥闯鰧?duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，雜散電感的能量和IGBT每次開關(guān)損耗相比還是比較小的。

圖4 infineon IGBT開關(guān)損耗

讓我們?cè)賮?lái)看看SiC 模塊，以Cree的1200V 300A SiC MOSFET模塊為例，在門極電阻為2.5Ω，負(fù)載電流為300A時(shí)，模塊的開關(guān)損耗為6mJ左右。同樣的電流在100nH的母排上會(huì)存儲(chǔ)4.5mJ的能量，這個(gè)時(shí)候母排存儲(chǔ)的能量都可以和器件的開關(guān)損耗相當(dāng)了，因?yàn)閟ic器件的開關(guān)損耗確實(shí)要比si器件小很多。

對(duì)雜散電感存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量有了大致了解后，讓我們看看這些能量在IGBT開關(guān)過(guò)程中是如何存儲(chǔ)與釋放的？首先看一下IGBT關(guān)斷暫態(tài)過(guò)程，如圖6所示：

圖6 IGBT關(guān)斷過(guò)程能量釋放示意圖

假設(shè)IGBT S1在t1時(shí)刻關(guān)斷，t2時(shí)刻關(guān)斷完成，這個(gè)暫態(tài)過(guò)程是雜散電感Lσ1能量釋放的過(guò)程。從電壓、電流方向上也可以理解該過(guò)程，關(guān)斷瞬間Lσ1的電流方向是從左至右，電流的幅值迅速下降為0，產(chǎn)生的電壓尖峰是左負(fù)右正。電壓和電流的方向是相反的，因此功率是負(fù)的，所以是釋放能量。釋放的能量會(huì)疊加在器件的關(guān)斷損耗上，最終以熱的形式被耗散出去。當(dāng)然，銅排的寄生電阻也會(huì)消耗一部分熱量。

讓我們?cè)賮?lái)看看開通過(guò)程，開通過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，主要是因?yàn)榇嬖?a target="_blank">二極管的反向恢復(fù)電流。我們根據(jù)電流的大小和方向?qū)㈤_通過(guò)程分為3個(gè)階段：

①：t1-t2為電流的上升過(guò)程，該過(guò)程電流達(dá)到了負(fù)載電感電流；

②：t2-t3也是電流的上升過(guò)程，但這里面包含了二極管的反向恢復(fù)上升電流；

③：t3-t4為反向恢復(fù)電流的下降過(guò)程。

圖7 IGBT開通過(guò)程能量存儲(chǔ)與釋放示意圖

第1和第2階段是雜散電感能量?jī)?chǔ)存的過(guò)程，該過(guò)程電壓和電流的方向相同，功率是正的，因此在吸收能量。對(duì)于這兩個(gè)階段，雜散電感上的電壓會(huì)反向疊加在IGBT開通電壓上，因此會(huì)有一個(gè)缺口，這樣就減小了器件的開通損耗。第3階段的尖峰會(huì)疊加在二極管的兩端，這個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜有的尖峰會(huì)超過(guò)母線電壓，有的則會(huì)在二極管電壓建立過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)小尖，這個(gè)主要與二極管的反向恢復(fù)特性相關(guān)。該過(guò)程雜散電感釋放的能量相當(dāng)于增加了一部分二極管的反向恢復(fù)損耗，但是這個(gè)能量很有限，因?yàn)殂~排的電流只是從峰值電流降到了負(fù)載電流。因此從損耗的角度看雜散電感對(duì)IGBT的開通是有利的。

當(dāng)然雜散電感對(duì)器件影響重點(diǎn)并沒(méi)有體現(xiàn)在損耗上，主要還是開關(guān)電壓尖峰。當(dāng)由于外部原因（功率器件開通或關(guān)斷）導(dǎo)致銅排上的電流“突變”時(shí)，就會(huì)在銅排兩端產(chǎn)生電壓尖峰，本質(zhì)上是磁場(chǎng)能量的瞬間儲(chǔ)存或釋放造成的。當(dāng)然，“突變”也是相對(duì)的，如果把時(shí)間軸放到到足夠尺度，曲線局部也依然是平滑的，可導(dǎo)的。

為了讓大家更直觀地感受這100nH雜散電感給器件帶來(lái)的影響。讓我們?cè)倥e幾個(gè)例子，還是以上面的3個(gè)功率模塊為例，對(duì)于Infineon 1700V 1400A IGBT計(jì)模來(lái)說(shuō)，其關(guān)斷電流的變化率為2800A/us，這個(gè)變化斜率會(huì)在100nH電感上產(chǎn)生280V的尖峰。對(duì)于1200 300A模塊，電流的變化率為3000A/us，會(huì)產(chǎn)生300V的過(guò)壓。

圖8 Infineon IGBT模塊關(guān)斷參數(shù)

而對(duì)于Cree的1200V 300A SiC MOSFET模塊，關(guān)斷電流的變化率為7000A/us，在100nH的雜散電感上會(huì)產(chǎn)生700V的尖峰。

圖9 Cree sic mosfet關(guān)斷參數(shù)

可以看出，對(duì)于基于Si器件IGBT的逆變器來(lái)說(shuō)100nH的雜散電感是可以接受的，而對(duì)于基于SiC 功率器件的逆變器這個(gè)電感就太大了。上面只是簡(jiǎn)單的計(jì)算，實(shí)際上IGBT或MOSFET的電流下降過(guò)程的斜率不是固定，一般在電流下降到中間的時(shí)候，變化率最大，這也是為什么器件關(guān)斷電壓是個(gè)尖峰，而不是平頂波的原因。
編輯：hfy