作者：微葉科技 時間：2015-10-19 17:44
1 引言
緩沖電路也稱為吸收電路，它是大功率變流技術(shù)中必不可少的組成部分。
緩沖電路的主要作用是用來控制IGBT 等功率器件的關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓，減少開關(guān)損耗。充分利用IGBT的功率極限。
應(yīng)該指出，緩沖電路之所以可以減小功率器件的開關(guān)損耗，是因為將開關(guān)損耗從器件本身轉(zhuǎn)移至緩沖器上，目的是使功率器件坦耗減少，保證安全工作，但總的開關(guān)損耗并來減少。
2 IGBT緩沖電路的特點和類型
IGBT緩沖電路和傳統(tǒng)GTR緩沖電路特點不同，主要表現(xiàn)在：①IGBT的安全工作區(qū)范圍較大，緩沖電路不需要保護(hù)抑制那種伴生達(dá)林頓GTR的二次擊穿超限，，只需控制瞬態(tài)電壓。②一般應(yīng)用中，IGBT的工作頻率比達(dá)林頓GTR的工作頻率要高得多，在每次開關(guān)過程中緩沖電路都要通過IGBT或自身放電，造成總的開關(guān)損耗較大。
設(shè)計IGBT緩沖電路應(yīng)考慮的因素主要有：功率電路的布局結(jié)構(gòu)、功率等級、工作頻率和成本。
圖1所示為3種通用的IGBT緩沖電路。圖la所示緩沖電路由一個無感電容并在IGBT模塊的Cl和E2之間。這種緩沖電路適用于小功率等級，對抑制瞬變電壓非常有效且成本較低。隨著功率級別的增大，這種緩沖電路可能會與直流母線寄生電感產(chǎn)生振蕩。緩沖電路圖lb可以避免這種情況，該緩沖電路中的快恢復(fù)二極管可箝位瞬變電壓，從而抑制諧振的發(fā)生。這種緩沖電路的RC時間常數(shù)τ應(yīng)設(shè)為電路開關(guān)周期的1/3左右，即：τ≈T/3=1/(3?)。但是，在功率等級進(jìn)一步增大的情況下，圖lb型緩沖電路的回路寄生電感則變得很大，以至于不能有效地控制瞬變電壓。這種大電流電路可采用緩沖電路圖lc，該型緩沖電路既可有效地抑锏振蕩而且還具有回路寄生電感較小的優(yōu)點，缺點是成本較高。在超大功率電路中，為了減小緩沖電路中二極管的應(yīng)力，可以采取圖la，c型緩沖電路同時使用的方法。
圖1 通用IGBT緩沖電路
3 緩沖電路分析與設(shè)計
圖2所示為圖lc型緩沖電路的典型關(guān)斷電壓波形。圖中起始電壓的尖峰（△V1）是由緩沖電路的寄生電感和緩沖二極管的正向恢復(fù)聯(lián)合引起的。如果緩沖二極管采用與IGBT 匹配的快恢復(fù)二極管，則該電壓尖峰主要取決于緩沖電感Ls，在此情況下，可估算出△V1為 △V1=Ls·di/dt (1)
式中 Ls——緩沖電路的等效寄生電感
di/dt——關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的di/dt
在典型的IGBT功率電路中，最嚴(yán)重情況下的di/dt接近0.02Ic/ns。如果△V1的限制已確定，則可用di/dt值來估算緩沖電路允許的最大電流為400A，△V1限定為100V，則最差情況下的di/dt約為 di/dt=0.02×400=8A/ns
用（1）式解得：Ls=△V1/di/dt=100÷8=12.5nH
通過上面計算我們可以得知大功率IGBT電路必須有極低電感量的緩沖電路，否則將不能很好的抑制瞬變電壓。
圖2 采用緩沖電蘑的典型關(guān)斷電壓波形
在設(shè)計緩沖電路時，應(yīng)考慮到緩沖二極管內(nèi)部和緩沖電容引線的寄生電感。利用小二級管和小電容并聯(lián)比用單只二極管和單只電容的等效寄生電感小，并盡量采用低感或無感電容。另外，緩沖電路的設(shè)計應(yīng)盡可能近地聯(lián)接在lGBT模塊上。以上措施有助于減小緩沖電路的寄生電感。
圖2所示的關(guān)斷初始浪涌電壓之后，隨著緩沖電容的充電，瞬態(tài)電壓再次上升，第二次上升峰值電壓△V2是緩沖電容和直流母線寄生電感的函數(shù)?？梢杂媚芰渴睾愣蓙泶_定△V2。
（2）
式中 Lp——母線寄生電感
i——工作電流
C——緩沖電容值
△V2——緩沖電壓峰值
如果已確定△V2的限定值，則對給定的功率電路可用式（2）確定緩沖電容的數(shù)值
實際的功率電路設(shè)計中可采用以下措施來減小所需電容值：①采用平板式匯流母線，正負(fù)極重疊在一起，中間用隔緣板隔開，以獲得最小母線寄生電感；②因為C值與關(guān)斷電流的平方成正比，所以采取必要的限流技術(shù)采限制功率電路的最大電流；③因為C值反比于△V2的平方，所以若允許△V2與IGBT的VCES之間有一定的裕度則可使緩沖電容值明顯減小。
表 l給出一組緩沖電路推薦設(shè)計值，其中主母線電感為表中設(shè)定的目標(biāo)值，并設(shè)定di/dt=0.02Ic/ns，過沖電壓△V1=100V。以這組數(shù)值為參考可以為緩沖電路設(shè)計提供方便。 表 1 緩沖電路和功率電路推薦設(shè)計
模塊型號 推薦設(shè)計值
IGBT 母線電感（nH） 緩沖電路類型 緩沖電路電感（nH） 緩沖電容（μF） 緩沖二極管
10~50A
六合一或七合一 200 （a） 20 0.1~0.47
75~200A
六合一或七合一 100 （a） 20 0.6~2.0
50~200A
雙單元 100 （b） 20 0.47~2.0
300~600A
雙單元 50 （b） 20 3.0~6.0
200~300A
一單元 50 （c） 30~15 0.47 600V:RM50HG-12S
1200V：RM25HG-24S
400A一單元 50 （c） 12 1.0 600V:RM50HG-12S
1200V：RM25HG-24S
(2個并聯(lián)）
600A一單元 50 （c） 8 2.0 600V:RM50HG-12S
（2個并聯(lián)）
1200V：RM25HG-24S
（3個并聯(lián)）
4 結(jié)論
緩沖電路設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到逆變器等功率電路能否正常，安全地工作。實驗表明，一個設(shè)計合理的緩沖電路不僅可以有效地降低開關(guān)應(yīng)力，抑制高頻振蕩，而且可以癢低開關(guān)損耗，提高工作頻率。實際應(yīng)用中，最好將緩沖電路設(shè)計在一塊印刷電路板上，整體安裝在IGBT模塊上的匯流母線上，以達(dá)到最佳效果。
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