缓冲电路的设计

基于IGBT逆变桥缓冲电路的设计对于不同的电力电子器件，缓冲电路的功能有所不同。

IGBT的缓冲电路有其自身特点：1、IGBT的安全工作区范围较大，不需要保护抑制二次击穿极限，只需控制瞬态电压；2、一般应用中，IGBT的工作频率较高，在每次开关过程中缓冲电路都要通过IGBT或自身放电，可能带来较大的损耗。

对于像IGBT这种高频开关器件，线路杂散及分布电感可起到开通缓冲的作用；另外，在大容量的应用中，由于经常用于感性负载，也可起到开通缓冲的作用。

IGBT的工作频率经常高达20-50kHz，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的缓冲电路的功能更侧重于开关过程中过电压的吸收和抑制。

1 IGBT逆变桥无源无损缓冲电路的提出1.1传统的IGBT逆变桥RCD缓冲电路图1是用于IGBT逆变桥的几种常用的缓冲电路。

图a)是最简单的单电容电路，适用于小容量的IGBT模块，对于抑制瞬变电压非常有效且成本较低。

由于电路中无阻尼元件，随功率增大，易与线路杂散电感产生LC震荡，故应选择无感电容或串入电阻。

图b)是一个单元RCD缓冲电路，由于其中的快恢复二极管可钳位瞬变电压，从而可抑制谐振的发生。

但随着功率等级的进一步加大，这种电路的回路寄生电感会变得很大，以至不能有效控制du/dt，因此，一般用于小容量IGBT逆变桥。

图c)是钳位式RCD缓冲电路，是实际应用较多的缓冲电路。

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。

(a) (b) (c)图1三种常用的IGBT缓冲电路在上述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。

l.2 一般逆变桥无损缓冲电路的研究为了减少缓冲电路带来的额外能量损耗，国内外许多专家学者都在研究适用于逆变桥的无损缓冲电路。

分析已有的各种无损缓冲电路，可以得出以下两点：●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L和并联一个关断缓冲电容C；●需要有缓冲吸收元件无损释放所吸收能量的辅助电路，或是转移其吸收的能量的其他储能元件及其无损回馈电能的辅助电路。

由于辅助电路元件的组合可以千变万化，而人们也在研究桥臂开关共用缓冲电感或者缓冲电容的方法，以减少元件数目、简化电路结构，因此缓冲电路的形式可以有很多变化。

尽管缓冲电路的具体电路构成可以有许多变化和不同，但所有适用于逆变桥的无源无损缓冲电路是有一些共性和特点的，可以利用这些特点组合出一种甚至多种不同拓扑的无源无损缓冲电路。

1.3 IGBT逆变桥无源无损缓冲电路的提出首先，IGBT作为一个经常用在开关频率5kHz-20kHz、大容量应用的开关器件，可以先不考虑开通缓冲电路，只考虑关断过电压及二极管反向恢复过电压的抑制。

其次，关断缓冲电容Cs的布置。

图1c)RCD缓冲电路是一种对称结构。

从工程应用方面考虑，工业上已有专为IGBT生产的缓冲电容模块，甚至已有图1c)中的RCD缓冲电路集成模块，故采用后一种布置更能适应模块化的发展趋势，更容易大规模地应用到实际电路中去。

因此，本文中也采用这种拓扑布置缓冲电容。

(a) (b)图2 钳位式无源无损缓冲电路的提出第三，缓冲电容中能量的转移和回馈。

分析已有的无损缓冲电路，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1c)RCD缓冲电路中电容能量的转移路径，考虑用电感元件Lr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。

电路如图3.2a)所示。

最后，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Lr的影响，增加了开通缓冲电感Ls，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。

至此，提出了本文的钳位式IGBT逆变桥无源无损缓冲电路，具体见图2b).2 本文逆变桥无源无损缓冲电路的理论分析2.1 工作状态分析本文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，C sl，和C s2的电压将不低于电源电压U d。

缓冲电容吸收的能量通过一个小电感释放，即限制了放电冲击，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。

理论分析以及电路图中使用的符号说明如下：U d：直流电源电压I load(I0)：负载等效电流源T1、T2：上下桥臂开关管D1、D2：桥臂开关反并二极管U cel、I cl：T1两端电压、T1电流C sl、D sl：缓冲电容、对应的缓冲电容辅助二极管L sl：开通缓冲电感L rl、D rl：放电辅助电感和对应的辅助导流二极管在下面的分析中，有一些假定：l)所有元件具有理想特性；2)负载为较强感性负载；3)直流电源电压恒定；4)考虑到实际应用中一般都会设死区时间，分析中按有死区考虑。

以下对无源无损缓冲电路在感性负载下的工作状况作了理论分析，图3画出了电路中以T1为主的相关各电量的波形(T2的工作过程与此类似)，可以把波形分为几个时段进行分析，图中主要按死区时间划分了时段。

图4是电路在各个时段的等效电路。

l、0到t1时段：T1稳态导通，T2关断，T1两端电压U cel为零，T1的电流I cl 等于负载电流，U csl，等于U d，D sl，D rl截止。

图3缓冲电路各电量理论分析波形图4缓冲电路的工作状态变化图2、t1至t2时段：T1关断，电流I cl拖尾下降，感性负载电流由C sl，D sl回路和T2的反并二极管D2续流，T1两端由引线电感及开通缓冲电感L sl，引起的关断过电压由C sl吸收钳制，C sl的电压上升。

T1电压在关断瞬时，由于D sl导通，等于U Csl=U d，然后随着C sl的电压上升，D sl截止，T1电压下降直至等于T2电压，等于U d/2。

而当C sl的电压大于U d后，开始经由L rl向电源返回能量，L rl电流逐渐上升。

在D sl导通时，L sl电流还可以经由D sl向负载返回能量。

3、t2至t3时段：T2开通，T1电压又等于U d，负载电流以与前半周期相反方向经T2流通，C sl的电压逐渐降回U d。

T2开通瞬间，电源经C sl、D sl、L sl、L s2和T2向C sl充电，L rl电流由D sl、L sl和T2流通，T2稳态导通后，L rl剩余能量主要由C sl返回电源和经T2向负载返回能量。

4、t3至t4时段：T2关断，过渡过程与T1关断相似，T2相应电量的变化与T1对偶。

相似地，T1两端电压瞬时降为零，又上升至U d/2。

5、t4至t5时段：T1又开通，T1电压降为零，T1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T1进入稳态导通。

然后，又一个周期开始。

2.2 损耗分析理论上，本文提出的无源无损缓冲电路没有采用耗能元件，故缓冲电路上没有电能损耗。

但是，缓冲电路中二极管的损耗和串在主电路中的开通电感都会在实际上带来一些损耗。

由图3可以看到，逆变桥开关IGBT的损耗主要是关断损耗，导通损耗和开通损耗很小可以忽略。

为便于估计IGBT 的关断损耗，我们考虑把关断期间的电压电流线性化，而且，假设在t 1至2112t t t -+时段，电压由U d 线性下降为U d /2，在2112t t t -+至t 2时段，电压等于U d /2：电流的下降时间等于死去时间，即在t 1至t 2时段，由I 0线性下降至0。

21ce t ,=d d d d U t t U U t -=-记则： (0)2d t t ≤≤ ce =2d U U ()2d d t t t ≤≤ 0c 0dI I I t t =- (0)d t t ≤≤ 这样，就可以估算IGBT 的关断损耗P off ：200ce c 0000217+248d d d t t ddoff d d d t d d d U I U I P U I dt U t I t dt I t dt U I t t t t ⎛⎫⎛⎫⎛⎫==---= ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎰⎰⎰ 由于钳位式缓冲电路中，缓冲电容的电压在开关关断前的初值为U d ，而不是零，使得关断时IGBT 的电压上升率比较大，故对于IGBT 的关断损耗的减小没有太大作用。

由于电路在关断时的工作状况与传统RCD 缓冲电路相同，其关断电能损耗的估算也大体相同。

但是，在开通损耗方面可能随开通缓冲的作用大小而有所不同。

总体来看，由于几乎没有开通损耗，IGBT 的损耗还是比硬开关条件下减少许多。

3 本文逆变桥无源无损缓冲电路的参数计算3.l 缓冲电容C s 的选择缓冲电容C s 的参数选择与传统RCD 缓冲电路中C s 的选择原则相同，一般根据电路容许的电压超调量△U 来选择。

按照能量守恒定理，缓冲电容吸收的能量等于直流母线的等效电感释放的能量，则有如下等式：22s 01122s L I C U =∆则 2s 02=s L I C U∆ （式中，L s 为等效引线电感，I 0为负载电流） 由上式可见，引线等效电感越大、负载电流越大、抑制过电压效果越好，所需的缓冲电容C s 就越大。

3.2 辅助放电电感L r 和开通缓冲电感L s 的选择缓冲电容中能量释放可分为两个阶段：一、T 1关断(t=0)到T 2开通(t=t d ，t d 为死区时间)；二、T 2开通(t=t d )到放电结束。

图 5 缓冲电容放电等效电路阶段一，缓冲电容C s 的能量的放电回路为等效引线电感L s ’、直流电源U d 、辅助放电电感L r 。

阶段二，缓冲电容能量的放电回路除了上述路径外，还可以经负载、开通缓冲电感L s 、开关T 2放电。

两个阶段的放电等效电路见图5。

由于L s '<<L r ，L s ，L load ，图中忽略了引线电感L s '。

考虑到直流电源的电压波动很小，假定电源电压恒定等于U d 。

(l)T 1关断(t=0)到T 2开通(t=t d )T 1关断，缓冲电容C s 的电压很快上升，为简化计算，认为C s 的电压在t=0时刻即已达最大值，即u Cs (0)=U d +△U 。

辅助电感L r 在t=0时刻的电流初值为i=0。

则由等效电路图a)可列出如下方程：22=+Cs s Cs r s Cs d d Cs r du i C d u dt L C u U di dt U u L dt ⎧=-⎪⎪⇒+=⎨⎛⎫⎪- ⎪⎪⎝⎭⎩（1） 由u Cs (0)=U d +△U ，u Cs (∞)=U d 解方程得：cos Cs d u U U i ⎧⎛⎫=∆+⎪⎪⎪⎨⎛⎫⎪=∆⎪⎪⎩（2） 把t=t d 代入(2)式，就得到t=t d 时刻的u Cs (t d )和i(t d )。