IGBT無損緩沖吸收電路設計原理

IGBT無損緩沖吸收電路設計

工作在硬開關方式下的IGBT，若不斷地提高其工作頻率會引起以下問題：???

1）開關損耗大。開通時，開關器件的電流上升和電壓下降同時進行；關斷時，電壓上升和電流下降同時進行。電壓、電流波形的交疊產生了開關損耗，該損耗隨開關頻率的提高而急速增加。

2）感性關斷電壓尖峰大。當器件關斷時，電路中的感性元件感應出尖峰電壓。開關頻率愈高，關斷愈快，該感應電壓愈高。此電壓加在開關器件兩端，易造成IGBT模塊擊穿。

3）容性開通電流尖峰大。當開關器件在很高的電壓下開通時，儲存在開關器件結電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內。頻率愈高，開通電流尖峰愈大，從而會引起IGBT器件過熱損壞。另外，二極管由導通變為截止時存在著反向恢復期，開關管在此期間的開通動作易產生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流愈大，對器件的安全運行造成危害。

4）電磁干擾嚴重。隨著頻率提高，電路中的di/dt和du/dt增大，從而使電磁干擾增大，影響變換器和周圍電子設備的工作。

上述問題嚴重妨礙了開關器件工作頻率的提高，降低變換器的效率，并危及開關器件的安全可靠工作。近年來開展的軟開關技術研究為克服上述缺陷提供了一條有效途徑。軟開關工方式與硬開關工作方式不同，理想的零電流軟關斷過程是電流先降到零，電壓再緩慢上升到斷態值，所以關斷損耗近似為零。由于器件關斷前電流已下降到零，解決了感性關斷問題。理想的零電壓軟開通過程是電壓先降到零后，電流再緩慢上升到通態值，所以開通損耗近似為零，器件結電容上的電壓亦為零，解決了容性開通問題。同時，開通時二極管反向恢復過程已經結束，因此二極管反向恢復問題亦不存往。di/dt和du/dt的降低使得EMI問題得以解決。

軟開關技術實際上是利用電容與電感緩沖吸收原理，使開關器件中電流（或電壓）按正弦或準正弦規律變化。當電流過零時，使器件關斷；當電壓過零時，使器件開通-實現開關損耗為零。

軟開關技術在改善功率開關器件工作狀態方面效果明顯，使電力變換器的高頻化成為可能，提高了功率器件工作的可靠性和安全性，實現了開關器件的軟開關，使開關器件的電壓、電流應力減小，在減小電力變換器的體積、重量以及降低電磁干擾方面效果明顯。

1．緩沖吸收原理

緩沖電路（阻容吸收電路）主要用于抑制模塊內部的IGBT單元的過電壓和du/dt或者過電流和di/dt，同時減小IGRT的開關損耗。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率、體積都較大，所以在IGBT模塊內部并沒有專門集成這部分電路，因此，在實際的系統中設有緩沖電路，通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲存起來，電阻可防止電容與電感產生諧振。如果沒有緩沖電路，器件在開通時電流會迅速上升，di/dt也很大，關斷時du/dt很大，并會出現很高的過電壓，極易造成IGBT器件損壞。

有源緩沖電路通過增添輔助開關以減少開關損耗，但這也增加了主電路和控制電路的復雜程度，從而降低了性價比，也降抵了可靠性。RCVD緩沖電路雖然結構最簡單，價格最便宜，但由于電阻消耗了能量，效率較低，在各種軟開關技術中性能最差。而諧振變換器雖然實現了ZVS或ZCS，減少了開關損耗，但諧振能量必須足夠大，才能創造ZVS或ZCS條件，而且諧振電路中循環電流較大，還必須在特定的軟開關控制器的控制信號下工作，增加了通態損耗和成本，降低了可靠性。與這三種方法不同，無源無損緩沖電路既不使用有源器單，效率與有源緩沖電路、諧振變換器一樣高，電磁干擾小、造價低、性能好、可靠性高，因而獲得了廣泛的應用。

無源無損緩沖電路雖然無法像有源軟開關方案那樣，在超前或滯后主開關的控制時序下吸收能量或供給能量，以創造出真正的ZVS或ZCS條件，但它通過將開關期間的電壓與電流波形錯開，使二者的重疊面積最小，可以顯著降低開關損耗。雖然開關器件內寄生結電容的放電損耗無法被無源無損緩沖電路所消除，但此種損耗較其他開關損耗低得多，對于提高整體效率影響較小。無源無損緩沖電路和其他軟開關方案相比，沒有增加額外的輔助有源器件損耗，因此，在同樣的開關損耗功率降低的情況下，無源無損緩沖電路可以獲得更高的效率提高。所以，無源無損緩沖電路被廣泛地應用于PWM變換器中。

無損吸收網絡能夠把從輸入或輸出電路中吸收的能量進行再利用，能量傳輸的方式多是反饋給電源或負載，或是在吸收網絡內部循環。下圖所示的無損吸收網絡包括CDE電容模塊、二極管VD3以及電感L1，其中電容模塊內封裝兩單元無感突波緩沖電容C1、C2與超快恢復緩沖二極管VD1、VD2。

IGBT關斷時電路開始工作，負載電流經二極管VD1向緩沖電容C2充電，電容C1（導通期間已充電至U）經VD3放電，能量反饋給負載，并提供負載電流的續流通路，IGBT集電極電流逐漸減小。當C2充電到U，C1放電到零時，VD3關斷，感性負載中的電流流過主續流二極管VD4。由于電容C2兩端電壓不能瞬態突變，所以有效地限制了IGBT集電極電壓上升率du/dt，降低了IGBT的電壓應力，同時集電極電流轉移到了緩沖電路，從而降低了關斷功耗。 IGBT開通時，二極管VD1、VD3關斷，C2、L1、C1組成諧振電路，U施加到吸收網絡電感L1的兩端，電流從C2通過L1和VD2紿C1充電。當C2放電到零時，C1充電到U，電感L1中的電流為零，串聯的二極管VD2截止，諧振結束，C1儲存能量，為IGBT關斷作準備。

在這一開通期間，由于負載電感L、集電板母線電感、各種雜散電感以及L1對集電極電流的限流作用，有效地限制了IGBT集電極電流七升率di/dt，降低IGBT的電流應力，同樣也降低了開通功耗。這樣，緩沖電路不僅降低了器件的開關損耗，而且降低了器件所承受的電壓、電流應力。

2．拓撲分類

在過去的幾十年里，出現了許多不同的無源無損緩沖電路的拓撲結構，它們可以用一套屬性來描述。為此，可劃分為兩類：一類是最小電壓應力單元(MVS)，如下圖 (a)、(b)所示；另一類是非最小電壓應力單元(Non-MVS)，如圖 (c)、(d)、(e)、(f)所示。最小電壓應力單元僅使用一個電感和電容值較小的電容就能使主開關管電壓應力最小，但實現軟開關的范圍不大；非最小電壓應力單元增加了一個電感，同時也增加了主開關管的電壓應力，但與最小電壓應力單元相比，在同樣的電感和電容下，其軟開關范圍較大，而且在小功率情況下具有較高的效率。

審核編輯：黃飛

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