IGBT关断的那微秒内发生了什么

每次IGBT关闭后，在很短的时间内会发生剧烈的暴力事件。

电压波形对比显示了有无 CRE 缓冲电容时 IGBT 关断尖峰的情况。

流经器件的电流中断。电路杂散电感中储存的能量无处释放，以电压尖峰的形式释放出来。如果没有东西吸收这个尖峰，它可能会超过IGBT的额定电压，从而损坏器件。

这正是缓冲电容旨在解决的问题。而且，充分理解这一点非常重要，因为优质缓冲电容和劣质缓冲电容之间的区别，会在设备使用数月甚至数年后才显现出来，而不是在第一天就显现出来。

缓冲电容器的作用

A 缓冲电容器它位于开关装置的对面，并将释放的能量安全地输送到某个地方。

当IGBT关断时，电容器会吸收瞬态电流，并限制器件两端电压上升的速度（dv/dt）。这一功能同时实现了三个目的：抑制电压尖峰、降低开关损耗，以及平滑电路中其他部分所承受的电流和电压突变。

为了使这种器件有效工作，两个电气特性至关重要：低等效串联电阻 (ESR) 和低等效串联电感 (ESL)。高 ESR 或 ESL 会降低电容器的响应速度，并限制其对快速瞬态信号的钳位能力。这也是为什么金属化聚丙烯薄膜是大多数缓冲电路应用的首选材料。它兼具低 ESR/ESL 和自愈性介电性能，因此即使在反复的电压应力作用下，电容器也能保持可靠的性能。

内部SMJ-PCRE的塑料盒IGBT缓冲电容器

CRE 的 SMJ-P 是一款塑料盒缓冲电容器，专为 IGBT 保护而设计，带有镀锡铜插入引线，可直接安装到 IGBT 模块上。

CRE SMJ-P 塑料盒 IGBT 缓冲电容器，带镀锡铜引线

关键技术参数：

该电容器的结构设计与电气性能遵循相同的逻辑。塑料外壳采用树脂密封，可保护绕组免受潮气和机械应力的影响。该系列电容器提供轴向和径向引线两种配置，因此无需每次都进行定制重新设计，即可适配不同的模块布局。

大多数文章忽略的一个细节：引脚几何形状与电容同样重要

最多缓冲电容器内容止步于“使用聚丙烯薄膜，它可以自愈”。这没错，但这只是工程问题的一半，而且这部分并不能真正决定某个部件在特定电路中是否有效。

另一半因素是回路电感。如果电容器的自感仍然很高，单凭电容值并不能保证电压尖峰很低，因为端子和内部连接之间的回路电感本身就会导致电压尖峰或瞬态电压的产生。换句话说，具有长而细引脚的高电容器件的性能可能不如具有短而宽引脚的小电容器件。

图示比较了长引线缓冲电容器端子和直接安装缓冲电容器端子之间的回路电感。

这也是为什么安装方式比数据手册上显示的更重要的原因。采用宽而扁平的端子，可以直接用螺丝固定在IGBT模块上的电容器，比通过长引线连接的电容器具有更低的自感。SMJ-P的镀锡铜插片引线以及轴向或径向配置的选择正是出于这个原因：缩短连接路径，使额定电容能够真正提供其所规定的dv/dt保护。

自愈性能本身仍然很重要。金属化聚丙烯薄膜在发生局部介电击穿时，能在微秒内隔离故障点，而不是直接失效，因此薄膜仍然是该应用的标准介质，优于陶瓷或电解电容器。但自愈和低回路电感是两个不同的工程问题，缓冲电容器必须同时满足这两个要求。

SMJ-P 属于 CRE 更广泛的缓冲电容器系列

这SMJ-P 塑料盒装这是CRE为IGBT和GTO缓冲电路保护提供的多种引脚和封装配置之一。根据安装空间、引脚方向和散热要求，CRE还生产轴向引脚和聚酯薄膜带封装的变体，这些变体均采用相同的金属化聚丙烯薄膜技术，并按照相同的ESR/ESL性能标准进行设计。这意味着设计团队可以在布局演变过程中在不同封装形式之间切换，而无需从头开始重新验证底层介质系统。

工程师如何验证缓冲电容器的选择

数据手册上的电容值和额定电压不足以确认缓冲电容在特定电路中是否有效。SEMIKRON 在其 IGBT 应用笔记中记录的标准验证方法是：在有无缓冲电容的情况下，测量关断时集电极-发射极的实际电压波形，并确认在最坏情况下，峰值电压是否保持在 IGBT 的额定阻断电压范围内。关断后，电流会换向流入缓冲电容，在开关瞬间产生电流峰值，随后在缓冲电容和直流母线之间产生阻尼振荡，振荡频率由母线的寄生电感和缓冲电容的电容值决定。

这种将引线几何形状和直接安装端子硬件作为主要设计变量而非事后考虑的强调，在广泛流传的电力电子设计文献中也有所体现，包括康奈尔·杜比里尔出版社出版的鲁迪·塞弗恩斯的缓冲电路设计参考书。其背后的物理原理也在国际电力电子电容器标准IEC 61071中得到形式化阐述，SMJ-P的设计也符合该标准。所有这些文献都一致指出：目标不仅仅是规格表上的电容值，而是关断时峰值电压的可测量、可重复的降低。

SMJ-P电容器的应用领域

半桥IGBT电路图，缓冲电容C3连接在直流母线上。

缓冲电容器并非小众元件。凡是需要保护电源开关设备免受自身开关动作影响的地方，都会用到它们：

• 逆变器和电机驱动器其中，IGBT 持续开关，需要持续的 dv/dt 保护。

•电动汽车电力电子其中，开关效率和元件寿命直接影响范围和可靠性。

•可再生能源系统其中包括太阳能逆变器，电压尖峰抑制功能可以保护高功率开关器件在数十年的运行过程中免受损坏。

•整流器，服务车辆以及机车动力供应在高脉冲电流和苛刻占空比的应用中，ESR 和 ESL 性能尤为关键。

所有这些应用的共同点是相同的：开关设备会产生瞬态信号，并且必须有某种东西能够干净利落地吸收这些瞬态信号，在系统的整个生命周期内，一个接一个地循环往复。

为什么材料和制造选择会随着时间的推移而产生累积效应

从数据手册上看，缓冲电容器的功能似乎很简单。但实际上，其性能取决于一些细节，而这些细节只有在系统运行多年后才会显现出来：例如，介质在应力作用后能否稳定地自愈，生产批次中ESR和ESL的控制精度如何，以及绝缘电阻在整个温度范围内（而不仅仅是室温下）是否都能保持稳定。

这就是为什么CRE的SMJ-P产品将其10万小时的预期寿命与特定的热点温度条件（≤85°C）挂钩，而不是使用一个通用数值；也是为什么绝缘电阻值按电容范围单独标明，而不是使用一个统一的数值。这些规格参数对于验证设计的工程师来说至关重要，而不仅仅是营销宣传。

常见问题：IGBT缓冲电容器的选择

Q1：什么是IGBT缓冲电容器用途？ 

IGBT缓冲电容用于抑制IGBT关断时产生的电压尖峰，防止器件过载。CRE的SMJ-P金属化聚丙烯薄膜电容正是为此而设计的，其额定电压范围为700V直流至3000V直流。

Q2：如何选择合适的缓冲电容器制造商？ 

寻找提供低 ESR/ESL 薄膜电容器、认可的认证（IEC 61071、UL94V-0）以及定制电容或电压选项的制造商。房地产是一家为 DC-Link 供货的薄膜电容器制造商，IGBT缓冲器以及用于电力电子、可再生能源和轨道交通应用的 EMC 滤波电容器，提供轴向和径向引线配置。

Q3：与其他类型的缓冲电容器相比，聚丙烯薄膜电容器有哪些优势？ 

金属化聚丙烯薄膜具有低ESR/ESL、自愈介电性能以及在宽温度范围内稳定的性能，使其成为缓冲电路应用的标准介电材料，优于电解或陶瓷材料。CRE的SMJ-P工作温度范围为-40°C至+85°C，额定使用寿命为100,000小时。

SMJ-P 的完整技术文档可在此处获取：https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html

参考：

1. CRE 新能源，“塑料盒式IGBT缓冲电容器SMJ-P“产品数据手册。（https://www.crecapacitors.com/IGBT-GTO-Snubber-Capacitors-pl47325307.html）

2. Semikron Danfoss，“IGBT 峰值电压测量和缓冲电容器规格”，应用说明 AN 07-006。

（https://assets.danfoss.com/documents/latest/444044/AB501644922487en-000201.pdf）

3. Severns, Rudy. “功率电路缓冲电路的设计。” Cornell Dubilier 应用笔记。（https://www.cde.com/resources/technical-papers/design.pdf）

技术规格反映的是撰写本文时已公布的数据。读者在最终设计使用前，应参考制造商的最新数据手册确认当前额定值。