楊淼

【摘要】 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）緩沖電路對(duì)抑制IGBT開關(guān)過程中產(chǎn)生的尖峰電壓具有重要作用。本文通過分析無(wú)損緩沖電路的原理及特點(diǎn)，結(jié)合原有RCD緩沖電路，探索研究了一種新的適用于IGBT逆變橋的無(wú)損緩沖電路，并采用Saber軟件對(duì)兩種電路進(jìn)行了仿真分析，對(duì)比比較了兩種緩沖吸收電路的優(yōu)缺點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了新無(wú)損緩沖電路抑制IGBT關(guān)斷過電壓的可靠性。

【關(guān)鍵詞】 Saber IGBT逆變橋 緩沖電路 RCD

一、引言

IGBT作為電力電子變換技術(shù)的重要器件，其工作頻率經(jīng)常高達(dá)20kHz～50kHz，即使大容量應(yīng)用一般也在5kHz，因此很小的電路電感就可能引起很大的Ldi/dt，從而產(chǎn)生過電壓危及IGBT的安全，故IGBT緩沖電路的功能在于對(duì)開關(guān)過程中過電壓的吸收和抑制[1]。傳統(tǒng)RCD緩沖電路中，由于使用電阻來(lái)為緩沖電容提供放電通路，消耗了部分能量，降低了電路的效率，且發(fā)熱量大，因此研究一個(gè)實(shí)用的適用于橋式逆變器的無(wú)損緩沖電路對(duì)于電力電子技術(shù)的發(fā)展和我國(guó)各行各業(yè)的生產(chǎn)、節(jié)能、環(huán)保等方面都很有意義[2]。

二、無(wú)損緩沖電路的原理及設(shè)計(jì)

一般無(wú)源無(wú)損緩沖電路有以下兩個(gè)共同點(diǎn)：1、需要有緩沖吸收元件，用來(lái)控制開關(guān)器件的瞬變電流和瞬變電壓，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電流開通和零電壓關(guān)斷，故一般都串聯(lián)一個(gè)開通緩沖電感和并聯(lián)一個(gè)關(guān)斷緩沖電容。2、需要有緩沖吸收元件無(wú)損釋放所吸收能量的輔助電路，或是轉(zhuǎn)移其吸收能量的其他儲(chǔ)能元件及其無(wú)損回饋電能的輔助電路[3，4]。

圖1 傳統(tǒng)鉗位式RCD緩沖電路 圖2 鉗位式無(wú)損緩沖電路

圖1是傳統(tǒng)鉗位式RCD緩沖電路。該電路將電容上過沖能量部分送回電源，因此損耗較小，被認(rèn)為是適合大功率IGBT的緩沖電路[5，6]。

一般無(wú)損吸收電容能量的恢復(fù)大多需要電感作為能量轉(zhuǎn)移的中間環(huán)節(jié)，結(jié)合圖1 RCD 緩沖電路中電容能量的轉(zhuǎn)移路徑，本文考慮用電感元件替代RCD電路中的電阻元件，并且為了避免振蕩，串聯(lián)一個(gè)導(dǎo)流二極管。

又考慮到在上述緩沖電路工作的過程中，當(dāng)IGBT開通時(shí)，對(duì)管緩沖電容充電和對(duì)管放電電感的影響，增加了開通緩沖電感，布置位置按照電路的要求串聯(lián)在兩個(gè)開關(guān)之間的主電路中[3]。

鉗位式無(wú)源無(wú)損緩沖電路如圖2所示。此緩沖電路的特點(diǎn)在于緩沖電容與輔助放電電感及導(dǎo)流二極管串聯(lián)，交叉接至直流電源，可以看出，C1和C2的電壓將不低于電源電壓。緩沖電容吸收的能量通過一個(gè)小電感釋放，既限制了放電沖擊，又不消耗能量，而且，小電感中的能量有多個(gè)路徑可以返回到電源和負(fù)載。

分5個(gè)階段對(duì)此緩沖電路進(jìn)行理論分析：

1）igbt_b1穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通，igbt_b2關(guān)斷，igbt_b1兩端電壓為零，igbt_b1的電流等于負(fù)載電流，D3、D4截止。2） igbt_b1關(guān)斷，igbt_b1電流拖尾下降，感性負(fù)載電流由C1、D3回路和igbt_b2的反并二極管D2續(xù)流，igbt_b1兩端由引線電感及開通緩沖電感 I1引起的關(guān)斷過電壓由C1吸收鉗制，C1的電壓上升。igbt_b1電壓在關(guān)斷瞬時(shí)，由于D3導(dǎo)通，UC1等于電源電壓Ud，然后隨著C1的電壓上升，D3截止，igbt_b1電壓下降直至等于igbt_b2電壓，等于Ud/2。而當(dāng)C1的電壓大于Ud后，開始經(jīng)由電感I4向電源返回能量，I4電流逐漸上升。在D3導(dǎo)通時(shí)，I4電流還可以經(jīng)由 D3向負(fù)載返回能量。3）igbt_b2開通，igbt_b1電壓又等于 Ud，負(fù)載電流以與前半周期相反方向經(jīng)igbt_b2流通，C1的電壓逐漸降回Ud。igbt_b2開通瞬間，電源經(jīng) C1、D3、I1、I2和igbt_b2向 C1充電，I4電流由 D3、I1和igbt_b2流通，igbt_b2穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通后，I4剩余能量主要由 C1返回電源和經(jīng)igbt_b2向負(fù)載返回能量。4）igbt_b2關(guān)斷，過渡過程與igbt_b1關(guān)斷相似，igbt_b2相應(yīng)電量的變化與igbt_b1對(duì)偶。相似地，igbt_b1兩端電壓瞬時(shí)降為零，又上升至 Ud/2。5）igbt_b1又開通，igbt_b1電壓降為零，igbt_b1電流在引線電感、緩沖電感以及感性負(fù)載作用下逐漸上升，然后igbt_b1進(jìn)入穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通。

三、Saber仿真軟件介紹

Saber是美國(guó)Analogy公司開發(fā)并于1987年推出的模擬及混合信號(hào)仿真軟件。Saber可同時(shí)對(duì)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)以及模數(shù)混合信號(hào)器件進(jìn)行仿真。適用包括電子學(xué)、電力電子學(xué)、電機(jī)工程、機(jī)械工程、電光學(xué)、光學(xué)、水利、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)等等[7-10]。（表1 ）

表1 Saber仿真軟件概要應(yīng)用領(lǐng)域 優(yōu)勢(shì) 特點(diǎn)

電源變換器設(shè)計(jì) 用來(lái)設(shè)計(jì)各種電源設(shè)備，如DC/DC、AC/AC、DC/AC、AC/AC 支持自頂向下系統(tǒng)設(shè)計(jì)和由底向上具體設(shè)計(jì)驗(yàn)證，概念設(shè)計(jì)支持模塊化方框圖設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)可用元器件組成系統(tǒng) 集成度高

完整的圖形查看功能

模塊化和層次化

模擬行為模型

強(qiáng)大的收斂性分析

高仿真精度

模型與仿真器分離

支持通用CAE系統(tǒng)

支持全線的分析功能

輸出結(jié)果的查看

Saber協(xié)同仿真

TOP-DOWN設(shè)計(jì) Calaveras算法快速仿真

模擬/數(shù)字邊界的接口

INSPECS的超級(jí)分析能力

伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通過Saber自帶的電機(jī)、機(jī)械及液壓模型形成回路，建立電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)等多伺服控 制系統(tǒng) 提供一個(gè)功能強(qiáng)大的混合信號(hào)仿真器，通過單一的混合信號(hào)仿真內(nèi)核就可以提供精確有效的仿真結(jié)果

電路仿真 模電、數(shù)電及數(shù)?；旌想娐非捌谠眚?yàn)證，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化 Calaveras算法可以使模擬和數(shù)字兩種算法得到最大效率的運(yùn)行

供配電設(shè)計(jì) 主要針對(duì)大系統(tǒng)如飛機(jī)供配電系統(tǒng)、衛(wèi)星供配電系統(tǒng) 采用5種不同的算法依次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中一種算法失敗，自動(dòng)采用下一種算法

總線仿真 對(duì)系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的底層收發(fā)器、ECU等器件建模 可以在各種EDA設(shè)計(jì)環(huán)境中運(yùn)行，采用通用建模語(yǔ)言

四、仿真分析

4.1 傳統(tǒng)RCD仿真電路與結(jié)果分析

圖3是由傳統(tǒng)RCD緩沖電路構(gòu)建的H橋逆變電路，圖4是逆變橋緩沖電路的仿真結(jié)果。IGBT關(guān)斷時(shí)，吸收電容C1兩端電壓升高，隨后震蕩衰減，最終電壓穩(wěn)定在電源電壓。IGBT開通時(shí)，流過吸收電阻的電流尖峰大，下降快，流過能量返回電路電阻的電流上升快，隨后逐步衰減。由輸出電阻R兩端電壓波形可以看到，開關(guān)管開通或關(guān)斷時(shí)，電壓呈緩慢上升或下降的趨勢(shì)，RCD緩沖電路對(duì)抑制開關(guān)電壓尖峰起到了較好的效果。

4.2無(wú)損緩沖電路仿真結(jié)果分析

本文采用Saber電路仿真軟件作了IGBT逆變橋無(wú)損緩沖電路的仿真分析，仿真元件均選自Saber軟件內(nèi)部的仿真元件庫(kù)。其中IGBT驅(qū)動(dòng)為正電壓15V占空比為40%的方波信號(hào)，吸收電容C1、C2、C3、C4均為2uF，緩沖電感L1、L2、L6、L7均為10uH，能量轉(zhuǎn)移電感L3、L4、L8、L9均為20uH。

圖6是開關(guān)管IGBT1及其相對(duì)應(yīng)的緩沖電路元件的電壓電流仿真波形，從圖中可以清晰地看到電路各元件的工作狀態(tài)變化。

其中L1為電流通過IGBT1后的緩沖電感， IGBT1導(dǎo)通時(shí)，通過電感L1的電流緩慢上升， IGBT1關(guān)斷時(shí)，通過電感的電流緩慢下降，達(dá)到電流緩沖的要求。V（IGBT1）為IGBT1工作時(shí)源極與漏極之間的電壓，當(dāng)V（IGBT1）電壓為300V時(shí)IGBT1處于關(guān)斷狀態(tài)，緩沖電路開始工作，二極管D3導(dǎo)通，緩沖電容C1的電壓上升，然后輔助電感回路放電，能量返回至電源，C1的電壓隨之下降，直至電流為零。下一個(gè)周期關(guān)斷時(shí)再次重復(fù)這一過程。在開關(guān)導(dǎo)通過程中，關(guān)斷緩沖電路不參與電路工作，不影響電路正常工作特性。圖6中V（R）為輸出負(fù)載電阻R兩端電壓，可以看到在開關(guān)開通和關(guān)斷時(shí)，電流上升和下降緩慢，沒有尖峰電壓對(duì)開關(guān)管的沖擊。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的IGBT逆變橋無(wú)損緩沖電路在使IGBT正常工作的同時(shí)，可靠抑制了IGBT關(guān)斷時(shí)的過電壓，并且IGBT工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程沒有改變。與傳統(tǒng)RCD相比，吸收緩沖效果更佳，且沒有增加附帶能量損耗，達(dá)到了理想的工作效果，本文設(shè)計(jì)緩沖電路較為實(shí)用。