IGBT无损缓冲吸收电路设计原理

IGBT无损缓冲吸收电路设计

工作在硬开关方式下的IGBT，若不断地提高其工作频率会引起以下问题：   

1）开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。

2）感性关断电压尖峰大。当器件关断时，电路中的感性元件感应出尖峰电压。开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造成IGBT模块击穿。

3）容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而会引起IGBT器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，开关管在此期间的开通动作易产生很大的冲击电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。

4）电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的di/dt和du/dt增大，从而使电磁干扰增大，影响变换器和周围电子设备的工作。

上述问题严重妨碍了开关器件工作频率的提高，降低变换器的效率，并危及开关器件的安全可靠工作。近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效途径。软开关工方式与硬开关工作方式不同，理想的零电流软关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的零电压软开通过程是电压先降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容上的电压亦为零，解决了容性开通问题。同时，开通时二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管反向恢复问题亦不存往。di/dt和du/dt的降低使得EMI问题得以解决。

软开关技术实际上是利用电容与电感缓冲吸收原理，使开关器件中电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通-实现开关损耗为零。

软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显，使电力变换器的高频化成为可能，提高了功率器件工作的可靠性和安全性，实现了开关器件的软开关，使开关器件的电压、电流应力减小，在减小电力变换器的体积、重量以及降低电磁干扰方面效果明显。

1．缓冲吸收原理

缓冲电路（阻容吸收电路）主要用于抑制模块内部的IGBT单元的过电压和du/dt或者过电流和di/dt，同时减小IGRT的开关损耗。由于缓冲电路所需的电阻、电容的功率、体积都较大，所以在IGBT模块内部并没有专门集成这部分电路，因此，在实际的系统中设有缓冲电路，通过电容可把过电压的电磁能量变成静电能量储存起来，电阻可防止电容与电感产生谐振。如果没有缓冲电路，器件在开通时电流会迅速上升，di/dt也很大，关断时du/dt很大，并会出现很高的过电压，极易造成IGBT器件损坏。

有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这也增加了主电路和控制电路的复杂程度，从而降低了性价比，也降抵了可靠性。RCVD缓冲电路虽然结构最简单，价格最便宜，但由于电阻消耗了能量，效率较低，在各种软开关技术中性能最差。而谐振变换器虽然实现了ZVS或ZCS，减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大，才能创造ZVS或ZCS条件，而且谐振电路中循环电流较大，还必须在特定的软开关控制器的控制信号下工作，增加了通态损耗和成本，降低了可靠性。与这三种方法不同，无源无损缓冲电路既不使用有源器单，效率与有源缓冲电路、谐振变换器一样高，电磁干扰小、造价低、性能好、可靠性高，因而获得了广泛的应用。

无源无损缓冲电路虽然无法像有源软开关方案那样，在超前或滞后主开关的控制时序下吸收能量或供给能量，以创造出真正的ZVS或ZCS条件，但它通过将开关期间的电压与电流波形错开，使二者的重叠面积最小，可以显著降低开关损耗。虽然开关器件内寄生结电容的放电损耗无法被无源无损缓冲电路所消除，但此种损耗较其他开关损耗低得多，对于提高整体效率影响较小。无源无损缓冲电路和其他软开关方案相比，没有增加额外的辅助有源器件损耗，因此，在同样的开关损耗功率降低的情况下，无源无损缓冲电路可以获得更高的效率提高。所以，无源无损缓冲电路被广泛地应用于PWM变换器中。

无损吸收网络能够把从输入或输出电路中吸收的能量进行再利用，能量传输的方式多是反馈给电源或负载，或是在吸收网络内部循环。下图所示的无损吸收网络包括CDE电容模块、二极管VD3以及电感L1，其中电容模块内封装两单元无感突波缓冲电容C1、C2与超快恢复缓冲二极管VD1、VD2。

IGBT关断时电路开始工作，负载电流经二极管VD1向缓冲电容C2充电，电容C1（导通期间已充电至U）经VD3放电，能量反馈给负载，并提供负载电流的续流通路，IGBT集电极电流逐渐减小。当C2充电到U，C1放电到零时，VD3关断，感性负载中的电流流过主续流二极管VD4。由于电容C2两端电压不能瞬态突变，所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率du/dt，降低了IGBT的电压应力，同时集电极电流转移到了缓冲电路，从而降低了关断功耗。 IGBT开通时，二极管VD1、VD3关断，C2、L1、C1组成谐振电路，U施加到吸收网络电感L1的两端，电流从C2通过L1和VD2绐C1充电。当C2放电到零时，C1充电到U，电感L1中的电流为零，串联的二极管VD2截止，谐振结束，C1储存能量，为IGBT关断作准备。

在这一开通期间，由于负载电感L、集电板母线电感、各种杂散电感以及L1对集电极电流的限流作用，有效地限制了IGBT集电极电流七升率di/dt，降低IGBT的电流应力，同样也降低了开通功耗。这样，缓冲电路不仅降低了器件的开关损耗，而且降低了器件所承受的电压、电流应力。

2．拓扑分类

在过去的几十年里，出现了许多不同的无源无损缓冲电路的拓扑结构，它们可以用一套属性来描述。为此，可划分为两类：一类是最小电压应力单元(MVS)，如下图 (a)、(b)所示；另一类是非最小电压应力单元(Non-MVS)，如图 (c)、(d)、(e)、(f)所示。最小电压应力单元仅使用一个电感和电容值较小的电容就能使主开关管电压应力最小，但实现软开关的范围不大；非最小电压应力单元增加了一个电感，同时也增加了主开关管的电压应力，但与最小电压应力单元相比，在同样的电感和电容下，其软开关范围较大，而且在小功率情况下具有较高的效率。

审核编辑：黄飞