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（1.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004；2.中國北方車輛研究所 電子信息與控制部，北京 100072）

1 引言

有源電力濾波器（active power filter，APF）的主電路采用的是三相橋式逆變電路。在脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制中，IGBT開通關(guān)斷過程引起的電流迅速變化會(huì)使主回路中的雜散電感產(chǎn)生很大的尖峰電壓，最大值可以是其反向電壓的3倍。關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓是過電壓的兩個(gè)重要組成部分。關(guān)斷浪涌電壓是在關(guān)斷瞬間流過IGBT的電流被切斷時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)高電壓；而當(dāng)續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與關(guān)斷電壓相似的浪涌電壓。它們的存在會(huì)增大IGBT的開關(guān)損耗、降低電路效率、EMI特性變差，甚至?xí)绊慉PF的可靠運(yùn)行。這些問題在高頻和大功率環(huán)境下變得尤為突出，必須采取相應(yīng)措施加以抑制。RCD緩沖電路可以減小反向尖峰電壓，其參數(shù)的設(shè)計(jì)決定了緩沖成效的大小。本文詳細(xì)分析了全橋PWM變流器中緩沖電路的工作原理，提出了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及計(jì)算公式，針對APF主電路設(shè)計(jì)了相應(yīng)的緩沖電路，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性和有效性［1-3］。

2 緩沖電路工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)

在緩沖電路中增加快速恢復(fù)二極管，目的是阻止電容與主回路中電感產(chǎn)生的震蕩，同時(shí)加入一個(gè)大功率電阻來消耗電容所吸收的能量。當(dāng)IGBT的工作狀態(tài)由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時(shí)，線路雜散電感中的能量經(jīng)二極管流向電容，這樣IGBT正負(fù)極之間的電壓被鉗位在電容電壓以抑制過電壓。這種方式適合用在大功率IGBT模塊上，能較好地抑制尖峰電壓，解決吸收電容與雜散電感構(gòu)成震蕩回路的問題。在PWM控制的高頻工作中，吸收保護(hù)電路每個(gè)周期的工作原理通常分為3個(gè)階段，下面分別對3個(gè)階段進(jìn)行分析和研究［4］。

階段1：關(guān)斷瞬間IGBT與緩沖電容的電流交換過程。當(dāng)IGBT被關(guān)斷，瞬間流過其中的電流iT快速減少，但由于感性負(fù)載的存在，其電流IL不能立即改變，所以負(fù)載電流只能通過緩沖電容Cs和快恢復(fù)二極管VDs組成的電路進(jìn)行流通。圖1給出了一個(gè)線性化換流過程中的等效電路圖和電流變化波形圖。

圖1 環(huán)流過程的等效電路和電流波形Fig.1 Circulation process of equivalent circuit and current waveform

根據(jù)圖1所示，運(yùn)用電路相關(guān)理論可以得出：

式中：uCs1（tf）為IGBT被完全關(guān)斷時(shí)緩沖電容Cs上的電壓；iVDs為IGBT被完全關(guān)斷時(shí)緩沖電容Cs上的電流。

階段2：回路過電壓的產(chǎn)生過程。在同一對橋臂中，上下2個(gè)IGBT模塊均處在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生過電壓的情況最為嚴(yán)重。此時(shí)通過緩沖電容Cs和快恢復(fù)二極管VDs的負(fù)載電流IL將變小，而由于線路上雜散寄生電感Ls和IL的存在，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)浪涌反向電動(dòng)勢us來阻止電流的減少。其等效電路如圖2所示。

圖2 回路過電壓產(chǎn)生等效電路圖Fig.2 Process of road over voltage produces

由圖2所示的等效電路可以得到：

化簡后

其中，ΔU%為過電壓保護(hù)程度，當(dāng)選定Cs容量之后，實(shí)際的保護(hù)程度ΔU%由式（10）計(jì)算的數(shù)值決定［5］。

階段3：當(dāng)前述諧振釋放能量的過程進(jìn)行到ω0＝π／2時(shí)，緩沖電容Cs電壓達(dá)到最大值，諧振電流iL＝0，之后電容Cs通過電阻Rs，電源和負(fù)載釋放能量。在放電期間，可以認(rèn)為負(fù)載是一個(gè)恒流源。由于C0遠(yuǎn)大于Cs，把儲(chǔ)能電容C0的電壓看成是一個(gè)恒壓源。有了負(fù)載后，可以不計(jì)Ls對放電的影響。于是得到的電容放電過程等效電路如圖3所示。

圖3 電容放電過程等效電路Fig.3 Equivalent circuit of capacitance discharge

由圖3所示的等效電路可以得到：

其中緩沖電容的過電壓從uCs2（ts）下降到Ud的時(shí)間與吸收電路結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇有關(guān)。以放電時(shí)間為一個(gè)PWM 周期的1／6考慮，uCs2（ts）降低到1.01Ud，于是

式（13）中ΔU%為設(shè)定的過電壓保護(hù)程度，當(dāng)選定Cs容量之后，按實(shí)際的保護(hù)程度ΔU%帶入計(jì)算，fs為PWM調(diào)整頻率。

在電阻Rs上損耗的能量為

對其化簡得到：

其中緩沖電容Cs放電電流為

流過快速恢復(fù)二極管的電流有效值為

可以根據(jù)式（18）選擇合適的快恢復(fù)二極管。

3 APF緩沖電路的實(shí)際設(shè)計(jì)

本文以100kV·A有源電力濾波器為研究背景，其主電路采用的是SKM200GB173D模塊，耐壓值1 700V，電流300A。關(guān)斷時(shí)下降時(shí)間tf＝40ns，fs＝10kHz，Ud＝800V，引線雜散電感Lm＝200nH，最大負(fù)載電流IL＝200A，保護(hù)程度小于15%。根據(jù)上一節(jié)的推導(dǎo)，計(jì)算緩沖電路的相關(guān)參數(shù)。

1）電容Cs的計(jì)算，由式（12）可知：

選擇吸收電容Cs為0.68μF，Cs要采用高壓無感電容。實(shí)際的保護(hù)程度為

2）換流過程中電容Cs的電壓上升值

由此可見，因?yàn)閠f很小，ILtf／（2Cs）可以忽略。

3）諧振角頻率

4）快恢復(fù)二極管電流有效值為

選取耐壓值1 700V，30A，Tr＜50ns的快恢復(fù)二極管。

5）電容Cs放電過程和Rs的計(jì)算

由上面的計(jì)算取得Rs＝10Ω，因?yàn)橛须娏鞯拇嬖?，電阻上要消耗一定的功率?/p>

通過計(jì)算Rs選取為200W，10Ω的波紋電阻。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過以上的討論分析，針對有源電力濾波器主電路的緩沖電路整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 緩沖電路整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Circuit structure of RCD snubber circuit

針對圖4所示結(jié)構(gòu)搭建相應(yīng)的模型，對其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5分別為加入緩沖電路和未加入緩沖電路的仿真波形，從示波器所示波形可以看到，未加緩沖電路之前的IGBT開關(guān)波形，開通瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的過電壓。在加入緩沖電路后，情況有較大改善，過電壓的情況基本消失，過電壓已經(jīng)被完全吸收，不但降低了開關(guān)損耗，還保證了IGBT的工作安全。

圖5 緩沖電路仿真波形Fig.5 Simulation waveform of RCD snubber circuit

在實(shí)驗(yàn)室搭建APF樣機(jī)，對緩沖電路的實(shí)用性進(jìn)行研究，利用示波器TDS1012對相關(guān)波形加以測量。

圖6為RCD緩沖電路投入使用前與使用后的電壓實(shí)測波形。實(shí)驗(yàn)電路為單管IGBT帶阻感負(fù)載，圖6中所示波形為IGBT的C，E引腳之間的測試電壓。在RCD緩沖電路實(shí)驗(yàn)過程中，采用了低電壓（15V）以確保實(shí)驗(yàn)和器件安全。經(jīng)實(shí)際電路驗(yàn)證，證明本文所采用計(jì)算方法所得出器件參數(shù)是合理有效的。

圖6 緩沖電路實(shí)測波形Fig.6 Experiment waveforms of RCD snubber circuit

5 結(jié)論

緩沖電路設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常、安全的工作。本文通過對緩沖電路的分析，得出緩沖電路相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該緩沖電路的設(shè)計(jì)能夠有效吸收IGBT開關(guān)過程中所產(chǎn)生的尖峰電壓，從而提高了電路的EMI特性，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。經(jīng)過對APF長時(shí)間通電運(yùn)行測試，由IGBT組成的主電路運(yùn)行平穩(wěn)可靠，說明了本文方法的合理性和有效性，并具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］Adriano Carvalho，Pina Martins，Armando Araujo.Optimisation of IGBT Switching by Adaptiwe Gate Voltage Control［EB／OL］.［2011－11－18］.http：／／www.engineeringvillage.com.

［2］徐曉彬.大功率全橋變流器次級整流吸收電路研究［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（1），41－42.

［3］伍小杰，曹興，夏帥，等.IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路研究［J］.電氣傳動(dòng)，2010，40（10）：13－17.

［4］賈貴璽，徐欣東.IGBT 緩沖電路的設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動(dòng)，1998，28（3），54－55.

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