IGBT無(wú)損緩沖吸收電路設(shè)計(jì)

工作在硬開(kāi)關(guān)方式下的IGBT，若不斷地提高其工作頻率會(huì)引起以下問(wèn)題：???

1）開(kāi)關(guān)損耗大。開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行；關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)損耗，該損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而急速增加。

2）感性關(guān)斷電壓尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電路中的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓。開(kāi)關(guān)頻率愈高，關(guān)斷愈快，該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開(kāi)關(guān)器件兩端，易造成IGBT模塊擊穿。

3）容性開(kāi)通電流尖峰大。當(dāng)開(kāi)關(guān)器件在很高的電壓下開(kāi)通時(shí)，儲(chǔ)存在開(kāi)關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高，開(kāi)通電流尖峰愈大，從而會(huì)引起IGBT器件過(guò)熱損壞。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在著反向恢復(fù)期，開(kāi)關(guān)管在此期間的開(kāi)通動(dòng)作易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流愈大，對(duì)器件的安全運(yùn)行造成危害。

4）電磁干擾嚴(yán)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?chē)?a target="_blank">電子設(shè)備的工作。

上述問(wèn)題嚴(yán)重妨礙了開(kāi)關(guān)器件工作頻率的提高，降低變換器的效率，并危及開(kāi)關(guān)器件的安全可靠工作。近年來(lái)開(kāi)展的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效途徑。軟開(kāi)關(guān)工方式與硬開(kāi)關(guān)工作方式不同，理想的零電流軟關(guān)斷過(guò)程是電流先降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已下降到零，解決了感性關(guān)斷問(wèn)題。理想的零電壓軟開(kāi)通過(guò)程是電壓先降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，所以開(kāi)通損耗近似為零，器件結(jié)電容上的電壓亦為零，解決了容性開(kāi)通問(wèn)題。同時(shí)，開(kāi)通時(shí)二極管反向恢復(fù)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問(wèn)題亦不存往。di/dt和du/dt的降低使得EMI問(wèn)題得以解決。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電容與電感緩沖吸收原理，使開(kāi)關(guān)器件中電流（或電壓）按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過(guò)零時(shí)，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過(guò)零時(shí)，使器件開(kāi)通-實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗為零。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在改善功率開(kāi)關(guān)器件工作狀態(tài)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(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)，使開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)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(nèi)部的IGBT單元的過(guò)電壓和du/dt或者過(guò)電流和di/dt，同時(shí)減小IGRT的開(kāi)關(guān)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(nèi)部并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)集成這部分電路，因此，在實(shí)際的系統(tǒng)中設(shè)有緩沖電路，通過(guò)電容可把過(guò)電壓的電磁能量變成靜電能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。如果沒(méi)有緩沖電路，器件在開(kāi)通時(shí)電流會(huì)迅速上升，di/dt也很大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并會(huì)出現(xiàn)很高的過(guò)電壓，極易造成IGBT器件損壞。

有源緩沖電路通過(guò)增添輔助開(kāi)關(guān)以減少開(kāi)關(guān)損耗，但這也增加了主電路和控制電路的復(fù)雜程度，從而降低了性?xún)r(jià)比，也降抵了可靠性。RCVD緩沖電路雖然結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，價(jià)格最便宜，但由于電阻消耗了能量，效率較低，在各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中性能最差。而諧振變換器雖然實(shí)現(xiàn)了ZVS或ZCS，減少了開(kāi)關(guān)損耗，但諧振能量必須足夠大，才能創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，而且諧振電路中循環(huán)電流較大，還必須在特定的軟開(kāi)關(guān)控制器的控制信號(hào)下工作，增加了通態(tài)損耗和成本，降低了可靠性。與這三種方法不同，無(wú)源無(wú)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(jià)低、性能好、可靠性高，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。

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

無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)能夠把從輸入或輸出電路中吸收的能量進(jìn)行再利用，能量傳輸?shù)姆绞蕉嗍欠答伣o電源或負(fù)載，或是在吸收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部循環(huán)。下圖所示的無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)包括CDE電容模塊、二極管VD3以及電感L1，其中電容模塊內(nèi)封裝兩單元無(wú)感突波緩沖電容C1、C2與超快恢復(fù)緩沖二極管VD1、VD2。

IGBT關(guān)斷時(shí)電路開(kāi)始工作，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD1向緩沖電容C2充電，電容C1（導(dǎo)通期間已充電至U）經(jīng)VD3放電，能量反饋給負(fù)載，并提供負(fù)載電流的續(xù)流通路，IGBT集電極電流逐漸減小。當(dāng)C2充電到U，C1放電到零時(shí)，VD3關(guān)斷，感性負(fù)載中的電流流過(guò)主續(xù)流二極管VD4。由于電容C2兩端電壓不能瞬態(tài)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(yīng)力，同時(shí)集電極電流轉(zhuǎn)移到了緩沖電路，從而降低了關(guān)斷功耗。 IGBT開(kāi)通時(shí)，二極管VD1、VD3關(guān)斷，C2、L1、C1組成諧振電路，U施加到吸收網(wǎng)絡(luò)電感L1的兩端，電流從C2通過(guò)L1和VD2紿C1充電。當(dāng)C2放電到零時(shí)，C1充電到U，電感L1中的電流為零，串聯(lián)的二極管VD2截止，諧振結(jié)束，C1儲(chǔ)存能量，為IGBT關(guān)斷作準(zhǔn)備。

在這一開(kāi)通期間，由于負(fù)載電感L、集電板母線(xiàn)電感、各種雜散電感以及L1對(duì)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(yīng)力，同樣也降低了開(kāi)通功耗。這樣，緩沖電路不僅降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗，而且降低了器件所承受的電壓、電流應(yīng)力。

2．拓?fù)浞诸?lèi)

在過(guò)去的幾十年里，出現(xiàn)了許多不同的無(wú)源無(wú)損緩沖電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們可以用一套屬性來(lái)描述。為此，可劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)是最小電壓應(yīng)力單元(MVS)，如下圖 (a)、(b)所示；另一類(lèi)是非最小電壓應(yīng)力單元(Non-MVS)，如圖 (c)、(d)、(e)、(f)所示。最小電壓應(yīng)力單元僅使用一個(gè)電感和電容值較小的電容就能使主開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力最小，但實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的范圍不大；非最小電壓應(yīng)力單元增加了一個(gè)電感，同時(shí)也增加了主開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，但與最小電壓應(yīng)力單元相比，在同樣的電感和電容下，其軟開(kāi)關(guān)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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