开关磁阻电机功率变换器IGBT关断电压尖峰的分析与抑制
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使用两组电解电容三相开关磁阻电机功率变换 器主电路在结构上原理图如图 5 所示，这是两组电 解电容所能达到最好的效果，但是回路面积比较
38
大，所以需要进一步改进。
图 4 两种功率器件模块的原理图
机电元件
2012 年
部分组成： 两块铜排磁通自交链产生的内电感 Li
以及磁通穿过两块铜排包围面积所造成的外电感 Le。内部电感为［6］：
所以，主电路的结构设计和叠层母排的设计以 及利用有源嵌位的驱动电路，可以使 IGBT 关断时 产生的尖峰电压变得很小，有利于保护 IGBT。
图 12 IGBT 关断时的 VCE 试验波形
4结论
本文从影响 IGBT 关断时的尖峰电压的两个因 数出发，在结构上利用多组电解电容，使电解电容 与功率模块所组成的换流面积基本为 0，即磁场环 路很小，再加上使用叠层母排使正负电流进一步抵 消磁场，大大减小主电路中的杂散电感。在驱动上 使用有源嵌位技术驱动，使 IGBT 在关断时的集电
压，uovershoot 是尖峰电压。
u overshoot
=
Lstray
×
di dt
（ 2）
式中，Lstray 包括主电路母排上的电感 L1 和 L2 和功率器件和电解电容内部的电感。
3 尖峰电压的抑制
由公式 （ 2） 可知，影响尖峰电压有两个方面 因素，即电路的杂散电感和关断 IGBT 时电流的变 化率。
表 1 叠层母排的参数
l 340mm
w 326mm
d 0． 5mm
t 1． 5mm
利用公式 （ 3） 和 （ 4） 可以得到整个电路叠 层母排的杂散电感为 84nH，功率模块使用英飞凌 FF1000R17IE4 模块，内部的杂散电感为 10nH，主 电路使用六个功率模块。每个电解电容的杂散电感 为 15nH。
（ 公式 2） 。这可能导致 u0 ＞ ucemax ，损坏 IGBT。
u0 = ud + uovershoot
（ 1）
式中，u0 是 IGBT 两端的电压，ud 是电源 电
图 3 回路面积示意图
为了使杂散电感比较小，一般选择使用 IGBT 和续流二极管集成的功率器件，使用的两种器件原 理图如图 4 所示。
在电路杂散电感方面，功率器件模块和电解电 容的内部电感在器件选择好之后是确定的。所以， 尽量选择寄生电感较小的器件。主电路母线电感主 要受两个方面的影响：
⑴、导线的选择： 一般选择铜排，铜排所引起 的自感和互感都比一般的导线要小得多。
⑵、直流侧电解电容与功率器件所包围的回路 面积。由电磁理论可知，一个闭合回路中电感的大 小主要与磁路的环路面积有关，所以要尽量减小回 路面积。
第1 期 2012 年 2 月
试验与检测
机电元件 ELECTROMECHANICAL COMPONENTS
Vol. 32 No. 1 Feb. 2012
开关磁阻电机功率变换器 IGBT 关断电压尖峰的分析与抑制
丁小刚 ，程晶晶 （ 中国矿业大学信电学院，江苏 徐州，221008）
摘要： 本文针对开关磁阻电机 （ SRM） 功率变换器中的 IGBT 在关断时出现的尖峰电压进行了分析，就如何
极电流的变化率变小，从而减小尖峰电压。用仿真 和试验验证了本文的结构设计，叠层母排设计是可 行的。
抑制 IGBT 关断尖峰电压提出了解决方法，并分别从减小主电路杂散电感和减小 IGBT 关断时电流的变化率两个
方面出发，在结构上使用多组电解电容和叠层母排，以便减小换流回路，从而减小杂散电感。在驱动方面使用
有源嵌位技术，减小 IGBT 关断时的电流变化率。
关键词： 开关磁阻； 功率变换器； 尖峰电压； 有源嵌位
Keywords： switched reluctance； power converter； spike voltage； active clamp
1引言
开关磁阻电机调速系统 （ SRM） 因结构简单、 坚固，以及电力电子技术和控制技术的大力发展得
到了迅速发展。功率变换器是开关磁阻电机调速系 统的关键部分，在大功率功率变换器中，IGBT 安 全稳定的工作对整个系统起着极其重要的作用。由 于 IGBT 关断的时候电流变化率很大，会因为主电
根据分析可知，要减小主电路母线电感，主要 解决直流侧电容与功率器件所包围的回路面积问 题，在结构上尽量减小回路面积。
图 1 v1 和 v2 导通时的电流流向
图 2 v1 和 v2 关断时的电流流向
尖峰电压的产生是由于流过 v1 和 v2 的电流在 关断瞬间变为 0，电流变化率很大。在这种情况
下，电路中的杂散电感就会引起比较大的尖峰电压
图 8 有源嵌位技术驱动电路原理图
IGBT 关断时的典型电压、电流以及驱动电压 波形如图 9 所示。从图中可知，不加有源嵌位技术 的驱动电路，尖峰电压得不到抑制。带有有源嵌位 技术的驱动电路，在 IGBT 关断时的电压、电流以 及驱动电压波形如图 10 所示。现在，大功率 IGBT
最佳驱动门极电阻的范围为 0． 1 ～ 10 欧姆。关断 时，驱动提供 － 10v 的电压。可是，当有尖峰电压 超过嵌位二极管的击穿电压时，有源钳位电路暂时 提高门极电压来减小集电极电流的变化率，以便减 小尖峰电压。
Doi： 10． 3969 / j． issn． 1000 － 6133． 2012． 01． 0010
中图分类号： TM92
文献标识码： A 文章编号： 1000 － 6133（ 2012） 01 － 0036 － 05
Analysis and suppressing of IGBT turn － off voltage spike of power converter
第1 期
丁小刚等： 开关磁阻电机功率变换器 IGBT 关断电压尖峰的分析与抑制
39
的实用性。所以，这个简单的方法是不适合大功率 功率器件模块。
使用有源嵌位技术的驱动能够有效的减小 di / dt。有源嵌位就是利用瞬态抑制二极管在门极和集 电极电位之间建立直接反馈，如图 8 所示。如果集 电极与发射极之间的电压超过了嵌位二极管的击穿 电压，电流通过反馈通道流向 IGBT 的门极，增加门 极的电压，这样可以使集电极电流的变化率减小。
3 仿真分析与实验验证
3． 1 仿真分析 利用电路仿真软件搭建电路模型，把叠层母排
的杂散电感和功率器件的杂散电感加到理想电路 中。主电路是 380v 的交流电通过大功率二极管整 流。所以，叠层母排的电压为 537v 左右。IGBT 关 断时，CE 两端的电压波形如图 11 所示： 叠层母排 的参数如下表：
⑴、缓冲电路的设计［5 － 6］： 缓冲电路应用在功 率较大时占用很大的空间，而且会影响功率器件的 散热。所以，为了使结构方面简单，缓冲电路只使 用无感电容。
⑵、驱动电路的设计： 可以增加驱动电阻 Rg， 减小关断速度［7］，即减小 di / dt。但是，这样增加 了关断损耗和关断的时间，降低了大功率功率器件
2 功率变换器关断尖峰电压的分析
IGBT 的尖峰电压主要发生在 IGBT 关断的时 候，对关断时的状态进行分析。
图 1 是功率 变 换 器 一 相 的 电 路［1 － 2］，其 中 L1 和 L2 是主电路母排上面的电感。当 v1 和 v2 都开通 的时候，电流 i 通过 v1 和 v2 ，如图 1 所示； 当 v1 和 v2 都关断的时候由于电流不能突变，电流会通 过续流二极管 vd1 和 vd2 续流，如图 2 所示，即二 极管 vd1 和 vd2 会导通。这时，加在 v1 和 v2 两端的 电压是电源电压和尖峰电压之和 （ 公式 1） （ 续流 二极管的导通压降远远小于电源电压可以忽略） 。
DING Xiao － gang，CHENG Jing － jing （ School of Information and Electrical Engineering of CUMT，Xuzhou Jiangsu 221008）
Abstract： This paper analyses IGBT turn － off spike voltage of power converter，and points out a resolution to suppress IGBT turn － off voltage spike． The paper，based on reducing stray inductance of main circuit and the rate of change of the collector current at IGBT turn － off voltage spike，discusses using multiple sets of electrolytic capacitors and laminated bus bar in the structure in order to reduce the commutation circuit and the stray inductance of the main circuit，and uses the active clamp technique in the driver circuit to reduce the rate of change of the collector current．
绝缘材料在满足耐压要求时厚度越小越好。因 为，它的外部电感在长度和宽度一定时，中间绝缘 层越厚，电感越大，所以必须使用绝缘程度高而且 薄的绝缘材料。
叠层母排还能够降低系统噪音和电磁干扰减少 部件数量，增加系统的可靠性，并具有方便安装和 现场维护以及简洁美观等优点。
关断 IGBT 电流的变化率方面，主要受两个方 面的影响：
收稿日期：2011 － 11 － 26
第1 期
丁小刚等： 开关磁阻电机功率变换器 IGBT 关断电压尖峰的分析与抑制
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路中存在的杂散电感，导致 IGBT 在关断的时候有 很大的尖峰电压，容易损坏 IGBT。所以，为了使 功率变换器能够正常稳定地运行，需要对 IGBT 关 断尖峰电压进行分析和抑制。
40
机电元件
2 年
尖峰电压为 640v 左右，比仿真时增大了。这是由 于主电路电路安装的螺丝也有一些杂散电感。但 是，IGBT 在关断时的尖峰电压还是远远小于 IGBT 的安全电压。
从图中可以发现，驱动电压在下降过程中没有 再次增加是因为 IGBT 的尖峰电压还没有超过有源 嵌位设定的最大电压。
图 6 功率变换器杂散电感最小的结构图
图 7 中 l 为叠层母排的长度，w 为叠层母排的 宽度，t 是铜排的厚度，d 是绝缘层的厚度。叠层 母排［3 － 4］也是存在电感的，叠层母排的总电感由两
图 7 叠层母排原理图
但是与分立的单导体母线如铜排和电缆相比要 小的很多。因为，在正负极板间有一薄层绝缘的材 料，通过特殊的处理方法使正负极和绝缘部分紧密 排列。这种结构可以使沿着电流路径上最大可能地 消除电感。叠层母排在工艺上做得越好，则极板排 列得越紧密； 正负极磁场抵消得越好，则电感消除 得越好。
图 9 不加有源嵌位技术时的电压、 电流以及驱动电压波形
图 10 加有源嵌位技术时的电压、 电流以及驱动电压波形
图 11 IGBT 关断时 CE 两端的电压波形
从图 11 可知，关断时的尖峰电压为 612v，大 大小于安全电压，所以可以进行实际电路试验，进 行试验验证。 3． 2 试验验证
搭建电 路，驱 动 电 路 为 15v 开 通，负 10v 关 断，IGBT 关断 时 VCE 两 端 的 电 压 如 图 12 所 示。
Li
=
μ0 μr l 8π
（ 3）
式中，μ0 为相对磁导率，μr 为空气磁导率。
外电感 Le 近似为［6］：
Le = 2μ0 μr u
tl （ t + w）
（ 4）
图 5 两组电容在结构上所构成 杂散电感最小的示意图
其实，电解电容的组数越多，所构成的回路面 积会越来越小，使用六组电解电容三相开关磁阻电 机功率变换器主电路在结构上原理图如图 6 所示。 所包含的回路面积最小，但是可以发现电流的正负 流向在同一直线上，势必中间必须有可靠的绝缘 层。这就要使用叠层母线，如图 7 所示。使用叠层 母线之后，正负电流的流向是相反的真好抵消一部 分磁场，以便进一步减小电感。
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大，所以需要进一步改进。
图 4 两种功率器件模块的原理图
机电元件
2012 年
部分组成： 两块铜排磁通自交链产生的内电感 Li
以及磁通穿过两块铜排包围面积所造成的外电感 Le。内部电感为［6］：
所以，主电路的结构设计和叠层母排的设计以 及利用有源嵌位的驱动电路，可以使 IGBT 关断时 产生的尖峰电压变得很小，有利于保护 IGBT。
图 12 IGBT 关断时的 VCE 试验波形
4结论
本文从影响 IGBT 关断时的尖峰电压的两个因 数出发，在结构上利用多组电解电容，使电解电容 与功率模块所组成的换流面积基本为 0，即磁场环 路很小，再加上使用叠层母排使正负电流进一步抵 消磁场，大大减小主电路中的杂散电感。在驱动上 使用有源嵌位技术驱动，使 IGBT 在关断时的集电
压，uovershoot 是尖峰电压。
u overshoot
=
Lstray
×
di dt
（ 2）
式中，Lstray 包括主电路母排上的电感 L1 和 L2 和功率器件和电解电容内部的电感。
3 尖峰电压的抑制
由公式 （ 2） 可知，影响尖峰电压有两个方面 因素，即电路的杂散电感和关断 IGBT 时电流的变 化率。
表 1 叠层母排的参数
l 340mm
w 326mm
d 0． 5mm
t 1． 5mm
利用公式 （ 3） 和 （ 4） 可以得到整个电路叠 层母排的杂散电感为 84nH，功率模块使用英飞凌 FF1000R17IE4 模块，内部的杂散电感为 10nH，主 电路使用六个功率模块。每个电解电容的杂散电感 为 15nH。
（ 公式 2） 。这可能导致 u0 ＞ ucemax ，损坏 IGBT。
u0 = ud + uovershoot
（ 1）
式中，u0 是 IGBT 两端的电压，ud 是电源 电
图 3 回路面积示意图
为了使杂散电感比较小，一般选择使用 IGBT 和续流二极管集成的功率器件，使用的两种器件原 理图如图 4 所示。
在电路杂散电感方面，功率器件模块和电解电 容的内部电感在器件选择好之后是确定的。所以， 尽量选择寄生电感较小的器件。主电路母线电感主 要受两个方面的影响：
⑴、导线的选择： 一般选择铜排，铜排所引起 的自感和互感都比一般的导线要小得多。
⑵、直流侧电解电容与功率器件所包围的回路 面积。由电磁理论可知，一个闭合回路中电感的大 小主要与磁路的环路面积有关，所以要尽量减小回 路面积。
第1 期 2012 年 2 月
试验与检测
机电元件 ELECTROMECHANICAL COMPONENTS
Vol. 32 No. 1 Feb. 2012
开关磁阻电机功率变换器 IGBT 关断电压尖峰的分析与抑制
丁小刚 ，程晶晶 （ 中国矿业大学信电学院，江苏 徐州，221008）
摘要： 本文针对开关磁阻电机 （ SRM） 功率变换器中的 IGBT 在关断时出现的尖峰电压进行了分析，就如何
极电流的变化率变小，从而减小尖峰电压。用仿真 和试验验证了本文的结构设计，叠层母排设计是可 行的。
抑制 IGBT 关断尖峰电压提出了解决方法，并分别从减小主电路杂散电感和减小 IGBT 关断时电流的变化率两个
方面出发，在结构上使用多组电解电容和叠层母排，以便减小换流回路，从而减小杂散电感。在驱动方面使用
有源嵌位技术，减小 IGBT 关断时的电流变化率。
关键词： 开关磁阻； 功率变换器； 尖峰电压； 有源嵌位
Keywords： switched reluctance； power converter； spike voltage； active clamp
1引言
开关磁阻电机调速系统 （ SRM） 因结构简单、 坚固，以及电力电子技术和控制技术的大力发展得
到了迅速发展。功率变换器是开关磁阻电机调速系 统的关键部分，在大功率功率变换器中，IGBT 安 全稳定的工作对整个系统起着极其重要的作用。由 于 IGBT 关断的时候电流变化率很大，会因为主电
根据分析可知，要减小主电路母线电感，主要 解决直流侧电容与功率器件所包围的回路面积问 题，在结构上尽量减小回路面积。
图 1 v1 和 v2 导通时的电流流向
图 2 v1 和 v2 关断时的电流流向
尖峰电压的产生是由于流过 v1 和 v2 的电流在 关断瞬间变为 0，电流变化率很大。在这种情况
下，电路中的杂散电感就会引起比较大的尖峰电压
图 8 有源嵌位技术驱动电路原理图
IGBT 关断时的典型电压、电流以及驱动电压 波形如图 9 所示。从图中可知，不加有源嵌位技术 的驱动电路，尖峰电压得不到抑制。带有有源嵌位 技术的驱动电路，在 IGBT 关断时的电压、电流以 及驱动电压波形如图 10 所示。现在，大功率 IGBT
最佳驱动门极电阻的范围为 0． 1 ～ 10 欧姆。关断 时，驱动提供 － 10v 的电压。可是，当有尖峰电压 超过嵌位二极管的击穿电压时，有源钳位电路暂时 提高门极电压来减小集电极电流的变化率，以便减 小尖峰电压。
Doi： 10． 3969 / j． issn． 1000 － 6133． 2012． 01． 0010
中图分类号： TM92
文献标识码： A 文章编号： 1000 － 6133（ 2012） 01 － 0036 － 05
Analysis and suppressing of IGBT turn － off voltage spike of power converter
第1 期
丁小刚等： 开关磁阻电机功率变换器 IGBT 关断电压尖峰的分析与抑制
39
的实用性。所以，这个简单的方法是不适合大功率 功率器件模块。
使用有源嵌位技术的驱动能够有效的减小 di / dt。有源嵌位就是利用瞬态抑制二极管在门极和集 电极电位之间建立直接反馈，如图 8 所示。如果集 电极与发射极之间的电压超过了嵌位二极管的击穿 电压，电流通过反馈通道流向 IGBT 的门极，增加门 极的电压，这样可以使集电极电流的变化率减小。
3 仿真分析与实验验证
3． 1 仿真分析 利用电路仿真软件搭建电路模型，把叠层母排
的杂散电感和功率器件的杂散电感加到理想电路 中。主电路是 380v 的交流电通过大功率二极管整 流。所以，叠层母排的电压为 537v 左右。IGBT 关 断时，CE 两端的电压波形如图 11 所示： 叠层母排 的参数如下表：
⑴、缓冲电路的设计［5 － 6］： 缓冲电路应用在功 率较大时占用很大的空间，而且会影响功率器件的 散热。所以，为了使结构方面简单，缓冲电路只使 用无感电容。
⑵、驱动电路的设计： 可以增加驱动电阻 Rg， 减小关断速度［7］，即减小 di / dt。但是，这样增加 了关断损耗和关断的时间，降低了大功率功率器件
2 功率变换器关断尖峰电压的分析
IGBT 的尖峰电压主要发生在 IGBT 关断的时 候，对关断时的状态进行分析。
图 1 是功率 变 换 器 一 相 的 电 路［1 － 2］，其 中 L1 和 L2 是主电路母排上面的电感。当 v1 和 v2 都开通 的时候，电流 i 通过 v1 和 v2 ，如图 1 所示； 当 v1 和 v2 都关断的时候由于电流不能突变，电流会通 过续流二极管 vd1 和 vd2 续流，如图 2 所示，即二 极管 vd1 和 vd2 会导通。这时，加在 v1 和 v2 两端的 电压是电源电压和尖峰电压之和 （ 公式 1） （ 续流 二极管的导通压降远远小于电源电压可以忽略） 。
DING Xiao － gang，CHENG Jing － jing （ School of Information and Electrical Engineering of CUMT，Xuzhou Jiangsu 221008）
Abstract： This paper analyses IGBT turn － off spike voltage of power converter，and points out a resolution to suppress IGBT turn － off voltage spike． The paper，based on reducing stray inductance of main circuit and the rate of change of the collector current at IGBT turn － off voltage spike，discusses using multiple sets of electrolytic capacitors and laminated bus bar in the structure in order to reduce the commutation circuit and the stray inductance of the main circuit，and uses the active clamp technique in the driver circuit to reduce the rate of change of the collector current．
绝缘材料在满足耐压要求时厚度越小越好。因 为，它的外部电感在长度和宽度一定时，中间绝缘 层越厚，电感越大，所以必须使用绝缘程度高而且 薄的绝缘材料。
叠层母排还能够降低系统噪音和电磁干扰减少 部件数量，增加系统的可靠性，并具有方便安装和 现场维护以及简洁美观等优点。
关断 IGBT 电流的变化率方面，主要受两个方 面的影响：
收稿日期：2011 － 11 － 26
第1 期
丁小刚等： 开关磁阻电机功率变换器 IGBT 关断电压尖峰的分析与抑制
37
路中存在的杂散电感，导致 IGBT 在关断的时候有 很大的尖峰电压，容易损坏 IGBT。所以，为了使 功率变换器能够正常稳定地运行，需要对 IGBT 关 断尖峰电压进行分析和抑制。
40
机电元件
2 年
尖峰电压为 640v 左右，比仿真时增大了。这是由 于主电路电路安装的螺丝也有一些杂散电感。但 是，IGBT 在关断时的尖峰电压还是远远小于 IGBT 的安全电压。
从图中可以发现，驱动电压在下降过程中没有 再次增加是因为 IGBT 的尖峰电压还没有超过有源 嵌位设定的最大电压。
图 6 功率变换器杂散电感最小的结构图
图 7 中 l 为叠层母排的长度，w 为叠层母排的 宽度，t 是铜排的厚度，d 是绝缘层的厚度。叠层 母排［3 － 4］也是存在电感的，叠层母排的总电感由两
图 7 叠层母排原理图
但是与分立的单导体母线如铜排和电缆相比要 小的很多。因为，在正负极板间有一薄层绝缘的材 料，通过特殊的处理方法使正负极和绝缘部分紧密 排列。这种结构可以使沿着电流路径上最大可能地 消除电感。叠层母排在工艺上做得越好，则极板排 列得越紧密； 正负极磁场抵消得越好，则电感消除 得越好。
图 9 不加有源嵌位技术时的电压、 电流以及驱动电压波形
图 10 加有源嵌位技术时的电压、 电流以及驱动电压波形
图 11 IGBT 关断时 CE 两端的电压波形
从图 11 可知，关断时的尖峰电压为 612v，大 大小于安全电压，所以可以进行实际电路试验，进 行试验验证。 3． 2 试验验证
搭建电 路，驱 动 电 路 为 15v 开 通，负 10v 关 断，IGBT 关断 时 VCE 两 端 的 电 压 如 图 12 所 示。
Li
=
μ0 μr l 8π
（ 3）
式中，μ0 为相对磁导率，μr 为空气磁导率。
外电感 Le 近似为［6］：
Le = 2μ0 μr u
tl （ t + w）
（ 4）
图 5 两组电容在结构上所构成 杂散电感最小的示意图
其实，电解电容的组数越多，所构成的回路面 积会越来越小，使用六组电解电容三相开关磁阻电 机功率变换器主电路在结构上原理图如图 6 所示。 所包含的回路面积最小，但是可以发现电流的正负 流向在同一直线上，势必中间必须有可靠的绝缘 层。这就要使用叠层母线，如图 7 所示。使用叠层 母线之后，正负电流的流向是相反的真好抵消一部 分磁场，以便进一步减小电感。