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【摘要】 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）缓冲电路对抑制IGBT开关过程中产生的尖峰电压具有重要作用。本文通过分析无损缓冲电路的原理及特点，结合原有RCD缓冲电路，探索研究了一种新的适用于IGBT逆变桥的无损缓冲电路，并采用Saber软件对两种电路进行了仿真分析，对比比较了两种缓冲吸收电路的优缺点。仿真结果验证了新无损缓冲电路抑制IGBT关断过电压的可靠性。
【关键词】 Saber IGBT逆变桥 缓冲电路 RCD
一、引言
IGBT作为电力电子变换技术的重要器件，其工作频率经常高达20kHz～50kHz，即使大容量应用一般也在5kHz，因此很小的电路电感就可能引起很大的Ldi/dt，从而产生过电压危及IGBT的安全，故IGBT缓冲电路的功能在于对开关过程中过电压的吸收和抑制[1]。传统RCD缓冲电路中，由于使用电阻来为缓冲电容提供放电通路，消耗了部分能量，降低了电路的效率，且发热量大，因此研究一个实用的适用于桥式逆变器的无损缓冲电路对于电力电子技术的发展和我国各行各业的生产、节能、环保等方面都很有意义[2]。
二、无损缓冲电路的原理及设计
一般无源无损缓冲电路有以下两个共同点：1、需要有缓冲吸收元件，用来控制开关器件的瞬变电流和瞬变电压，实现开关的零电流开通和零电压关断，故一般都串联一个开通缓冲电感和并联一个关断缓冲电容。2、需要有缓冲吸收元件无损释放所吸收能量的辅助电路，或是转移其吸收能量的其他储能元件及其无损回馈电能的辅助电路[3，4]。
图1 传统钳位式RCD缓冲电路 图2 钳位式无损缓冲电路
图1是传统钳位式RCD缓冲电路。该电路将电容上过冲能量部分送回电源，因此损耗较小，被认为是适合大功率IGBT的缓冲电路[5，6]。
一般无损吸收电容能量的恢复大多需要电感作为能量转移的中间环节，结合图1 RCD 缓冲电路中电容能量的转移路径，本文考虑用电感元件替代RCD电路中的电阻元件，并且为了避免振荡，串联一个导流二极管。
又考虑到在上述缓冲电路工作的过程中，当IGBT开通时，对管缓冲电容充电和对管放电电感的影响，增加了开通缓冲电感，布置位置按照电路的要求串联在两个开关之间的主电路中[3]。
钳位式无源无损缓冲电路如图2所示。此缓冲电路的特点在于缓冲电容与辅助放电电感及导流二极管串联，交叉接至直流电源，可以看出，C1和C2的电压将不低于电源电压。缓冲电容吸收的能量通过一个小电感释放，既限制了放电冲击，又不消耗能量，而且，小电感中的能量有多个路径可以返回到电源和负载。
分5个阶段对此缓冲电路进行理论分析：
1）igbt_b1稳态导通，igbt_b2关断，igbt_b1两端电压为零，igbt_b1的电流等于负载电流，D3、D4截止。2） igbt_b1关断，igbt_b1電流拖尾下降，感性负载电流由C1、D3回路和igbt_b2的反并二极管D2续流，igbt_b1两端由引线电感及开通缓冲电感 I1引起的关断过电压由C1吸收钳制，C1的电压上升。igbt_b1电压在关断瞬时，由于D3导通，UC1等于电源电压Ud，然后随着C1的电压上升，D3截止，igbt_b1电压下降直至等于igbt_b2电压，等于Ud/2。而当C1的电压大于Ud后，开始经由电感I4向电源返回能量，I4电流逐渐上升。在D3导通时，I4电流还可以经由 D3向负载返回能量。3）igbt_b2开通，igbt_b1电压又等于 Ud，负载电流以与前半周期相反方向经igbt_b2流通，C1的电压逐渐降回Ud。igbt_b2开通瞬间，电源经 C1、D3、I1、I2和igbt_b2向 C1充电，I4电流由 D3、I1和igbt_b2流通，igbt_b2稳态导通后，I4剩余能量主要由 C1返回电源和经igbt_b2向负载返回能量。4）igbt_b2关断，过渡过程与igbt_b1关断相似，igbt_b2相应电量的变化与igbt_b1对偶。相似地，igbt_b1两端电压瞬时降为零，又上升至 Ud/2。5）igbt_b1又开通，igbt_b1电压降为零，igbt_b1电流在引线电感、缓冲电感以及感性负载作用下逐渐上升，然后igbt_b1进入稳态导通。
三、Saber仿真软件介绍
Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件。Saber可同时对模拟信号、数字信号以及模数混合信号器件进行仿真。适用包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统等等[7-10]。（表1 ）
表1 Saber仿真软件概要应用领域 优势 特点
电源变换器设计 用来设计各种电源设备，如DC/DC、AC/AC、DC/AC、AC/AC 支持自顶向下系统设计和由底向上具体设计验证，概念设计支持模块化方框图设计，详细设计可用元器件组成系统 集成度高
完整的图形查看功能
模块化和层次化
模拟行为模型
强大的收敛性分析
高仿真精度
模型与仿真器分离
支持通用CAE系统
支持全线的分析功能
输出结果的查看
Saber协同仿真
TOP-DOWN设计 Calaveras算法快速仿真
模拟/数字边界的接口
INSPECS的超级分析能力
伺服系统设计 通过Saber自带的电机、机械及液压模型形成回路，建立电流环、速度环、位置环等多伺服控 制系统 提供一个功能强大的混合信号仿真器，通过单一的混合信号仿真内核就可以提供精确有效的仿真结果
电路仿真 模电、数电及数模混合电路前期原理验证，根据系统响应进行设计优化 Calaveras算法可以使模拟和数字两种算法得到最大效率的运行 供配电设计 主要针对大系统如飞机供配电系统、卫星供配电系统 采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，其中一种算法失败，自动采用下一种算法
总线仿真 对系统传输网络的底层收发器、ECU等器件建模 可以在各种EDA设计环境中运行，采用通用建模语言
四、仿真分析
4.1 传统RCD仿真电路与结果分析
图3是由传统RCD缓冲电路构建的H桥逆变电路，图4是逆变桥缓冲电路的仿真结果。IGBT关断时，吸收电容C1两端电压升高，随后震荡衰减，最终电压稳定在电源电压。IGBT开通时，流过吸收电阻的电流尖峰大，下降快，流过能量返回电路电阻的电流上升快，随后逐步衰减。由输出电阻R两端电压波形可以看到，开关管开通或关断时，电压呈缓慢上升或下降的趋势，RCD缓冲电路对抑制开关电压尖峰起到了较好的效果。
4.2无损缓冲电路仿真结果分析
本文采用Saber电路仿真软件作了IGBT逆变桥无损缓冲电路的仿真分析，仿真元件均选自Saber软件内部的仿真元件库。其中IGBT驱动为正电压15V占空比为40%的方波信号，吸收电容C1、C2、C3、C4均为2uF，缓冲电感L1、L2、L6、L7均為10uH，能量转移电感L3、L4、L8、L9均为20uH。
图6是开关管IGBT1及其相对应的缓冲电路元件的电压电流仿真波形，从图中可以清晰地看到电路各元件的工作状态变化。
其中L1为电流通过IGBT1后的缓冲电感， IGBT1导通时，通过电感L1的电流缓慢上升， IGBT1关断时，通过电感的电流缓慢下降，达到电流缓冲的要求。V（IGBT1）为IGBT1工作时源极与漏极之间的电压，当V（IGBT1）电压为300V时IGBT1处于关断状态，缓冲电路开始工作，二极管D3导通，缓冲电容C1的电压上升，然后辅助电感回路放电，能量返回至电源，C1的电压随之下降，直至电流为零。下一个周期关断时再次重复这一过程。在开关导通过程中，关断缓冲电路不参与电路工作，不影响电路正常工作特性。图6中V（R）为输出负载电阻R两端电压，可以看到在开关开通和关断时，电流上升和下降缓慢，没有尖峰电压对开关管的冲击。
五、结束语
本文提出的IGBT逆变桥无损缓冲电路在使IGBT正常工作的同时，可靠抑制了IGBT关断时的过电压，并且IGBT工作状态转换的过程没有改变。与传统RCD相比，吸收缓冲效果更佳，且没有增加附带能量损耗，达到了理想的工作效果，本文设计缓冲电路较为实用。
【关键词】 Saber IGBT逆变桥 缓冲电路 RCD
一、引言
IGBT作为电力电子变换技术的重要器件，其工作频率经常高达20kHz～50kHz，即使大容量应用一般也在5kHz，因此很小的电路电感就可能引起很大的Ldi/dt，从而产生过电压危及IGBT的安全，故IGBT缓冲电路的功能在于对开关过程中过电压的吸收和抑制[1]。传统RCD缓冲电路中，由于使用电阻来为缓冲电容提供放电通路，消耗了部分能量，降低了电路的效率，且发热量大，因此研究一个实用的适用于桥式逆变器的无损缓冲电路对于电力电子技术的发展和我国各行各业的生产、节能、环保等方面都很有意义[2]。
二、无损缓冲电路的原理及设计
一般无源无损缓冲电路有以下两个共同点：1、需要有缓冲吸收元件，用来控制开关器件的瞬变电流和瞬变电压，实现开关的零电流开通和零电压关断，故一般都串联一个开通缓冲电感和并联一个关断缓冲电容。2、需要有缓冲吸收元件无损释放所吸收能量的辅助电路，或是转移其吸收能量的其他储能元件及其无损回馈电能的辅助电路[3，4]。
图1 传统钳位式RCD缓冲电路 图2 钳位式无损缓冲电路
图1是传统钳位式RCD缓冲电路。该电路将电容上过冲能量部分送回电源，因此损耗较小，被认为是适合大功率IGBT的缓冲电路[5，6]。
一般无损吸收电容能量的恢复大多需要电感作为能量转移的中间环节，结合图1 RCD 缓冲电路中电容能量的转移路径，本文考虑用电感元件替代RCD电路中的电阻元件，并且为了避免振荡，串联一个导流二极管。
又考虑到在上述缓冲电路工作的过程中，当IGBT开通时，对管缓冲电容充电和对管放电电感的影响，增加了开通缓冲电感，布置位置按照电路的要求串联在两个开关之间的主电路中[3]。
钳位式无源无损缓冲电路如图2所示。此缓冲电路的特点在于缓冲电容与辅助放电电感及导流二极管串联，交叉接至直流电源，可以看出，C1和C2的电压将不低于电源电压。缓冲电容吸收的能量通过一个小电感释放，既限制了放电冲击，又不消耗能量，而且，小电感中的能量有多个路径可以返回到电源和负载。
分5个阶段对此缓冲电路进行理论分析：
1）igbt_b1稳态导通，igbt_b2关断，igbt_b1两端电压为零，igbt_b1的电流等于负载电流，D3、D4截止。2） igbt_b1关断，igbt_b1電流拖尾下降，感性负载电流由C1、D3回路和igbt_b2的反并二极管D2续流，igbt_b1两端由引线电感及开通缓冲电感 I1引起的关断过电压由C1吸收钳制，C1的电压上升。igbt_b1电压在关断瞬时，由于D3导通，UC1等于电源电压Ud，然后随着C1的电压上升，D3截止，igbt_b1电压下降直至等于igbt_b2电压，等于Ud/2。而当C1的电压大于Ud后，开始经由电感I4向电源返回能量，I4电流逐渐上升。在D3导通时，I4电流还可以经由 D3向负载返回能量。3）igbt_b2开通，igbt_b1电压又等于 Ud，负载电流以与前半周期相反方向经igbt_b2流通，C1的电压逐渐降回Ud。igbt_b2开通瞬间，电源经 C1、D3、I1、I2和igbt_b2向 C1充电，I4电流由 D3、I1和igbt_b2流通，igbt_b2稳态导通后，I4剩余能量主要由 C1返回电源和经igbt_b2向负载返回能量。4）igbt_b2关断，过渡过程与igbt_b1关断相似，igbt_b2相应电量的变化与igbt_b1对偶。相似地，igbt_b1两端电压瞬时降为零，又上升至 Ud/2。5）igbt_b1又开通，igbt_b1电压降为零，igbt_b1电流在引线电感、缓冲电感以及感性负载作用下逐渐上升，然后igbt_b1进入稳态导通。
三、Saber仿真软件介绍
Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件。Saber可同时对模拟信号、数字信号以及模数混合信号器件进行仿真。适用包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统等等[7-10]。（表1 ）
表1 Saber仿真软件概要应用领域 优势 特点
电源变换器设计 用来设计各种电源设备，如DC/DC、AC/AC、DC/AC、AC/AC 支持自顶向下系统设计和由底向上具体设计验证，概念设计支持模块化方框图设计，详细设计可用元器件组成系统 集成度高
完整的图形查看功能
模块化和层次化
模拟行为模型
强大的收敛性分析
高仿真精度
模型与仿真器分离
支持通用CAE系统
支持全线的分析功能
输出结果的查看
Saber协同仿真
TOP-DOWN设计 Calaveras算法快速仿真
模拟/数字边界的接口
INSPECS的超级分析能力
伺服系统设计 通过Saber自带的电机、机械及液压模型形成回路，建立电流环、速度环、位置环等多伺服控 制系统 提供一个功能强大的混合信号仿真器，通过单一的混合信号仿真内核就可以提供精确有效的仿真结果
电路仿真 模电、数电及数模混合电路前期原理验证，根据系统响应进行设计优化 Calaveras算法可以使模拟和数字两种算法得到最大效率的运行 供配电设计 主要针对大系统如飞机供配电系统、卫星供配电系统 采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，其中一种算法失败，自动采用下一种算法
总线仿真 对系统传输网络的底层收发器、ECU等器件建模 可以在各种EDA设计环境中运行，采用通用建模语言
四、仿真分析
4.1 传统RCD仿真电路与结果分析
图3是由传统RCD缓冲电路构建的H桥逆变电路，图4是逆变桥缓冲电路的仿真结果。IGBT关断时，吸收电容C1两端电压升高，随后震荡衰减，最终电压稳定在电源电压。IGBT开通时，流过吸收电阻的电流尖峰大，下降快，流过能量返回电路电阻的电流上升快，随后逐步衰减。由输出电阻R两端电压波形可以看到，开关管开通或关断时，电压呈缓慢上升或下降的趋势，RCD缓冲电路对抑制开关电压尖峰起到了较好的效果。
4.2无损缓冲电路仿真结果分析
本文采用Saber电路仿真软件作了IGBT逆变桥无损缓冲电路的仿真分析，仿真元件均选自Saber软件内部的仿真元件库。其中IGBT驱动为正电压15V占空比为40%的方波信号，吸收电容C1、C2、C3、C4均为2uF，缓冲电感L1、L2、L6、L7均為10uH，能量转移电感L3、L4、L8、L9均为20uH。
图6是开关管IGBT1及其相对应的缓冲电路元件的电压电流仿真波形，从图中可以清晰地看到电路各元件的工作状态变化。
其中L1为电流通过IGBT1后的缓冲电感， IGBT1导通时，通过电感L1的电流缓慢上升， IGBT1关断时，通过电感的电流缓慢下降，达到电流缓冲的要求。V（IGBT1）为IGBT1工作时源极与漏极之间的电压，当V（IGBT1）电压为300V时IGBT1处于关断状态，缓冲电路开始工作，二极管D3导通，缓冲电容C1的电压上升，然后辅助电感回路放电，能量返回至电源，C1的电压随之下降，直至电流为零。下一个周期关断时再次重复这一过程。在开关导通过程中，关断缓冲电路不参与电路工作，不影响电路正常工作特性。图6中V（R）为输出负载电阻R两端电压，可以看到在开关开通和关断时，电流上升和下降缓慢，没有尖峰电压对开关管的冲击。
五、结束语
本文提出的IGBT逆变桥无损缓冲电路在使IGBT正常工作的同时，可靠抑制了IGBT关断时的过电压，并且IGBT工作状态转换的过程没有改变。与传统RCD相比，吸收缓冲效果更佳，且没有增加附带能量损耗，达到了理想的工作效果，本文设计缓冲电路较为实用。