IGBT無損緩沖吸收電路設(shè)計

1 IGBT無損吸收網(wǎng)絡(luò)
工作在硬開關(guān)方式下的IGBT，若不斷地提高其工作頻率會引起以下問題。   
1）開關(guān)損耗大。開通時，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時進行；關(guān)斷時，電壓上升和電流下降同時進行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗，該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。文章來源：http://awcss.com/il/221.html
2）感性關(guān)斷電壓尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時，電路中的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓。開關(guān)頻率愈高，關(guān)斷愈快，該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成IGBT模塊擊穿。
3）容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時，儲存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高，開通電流尖峰愈大，從而會引起IGBT器件過熱損壞。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在著反向恢復(fù)期，開關(guān)管在此期間的開通動作易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流愈大，對器件的安全運行造成危害。
4）電磁干擾嚴重。隨著頻率提高，電路中的di/dt和du/dt增大，從而使電磁干擾增大，影響變換器和周圍電子設(shè)備的工作。
上述問題嚴重妨礙了開關(guān)器件工作頻率的提高，降低變換器的效率，并危及開關(guān)器件的安全可靠工作。近年來開展的軟開關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效途徑。軟開關(guān)工方式與硬開關(guān)工作方式不同，理想的零電流軟關(guān)斷過程是電流先降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已下降到零，解決了感性關(guān)斷問題。理想的零電壓軟開通過程是電壓先降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，所以開通損耗近似為零，器件結(jié)電容上的電壓亦為零，解決了容性開通問題。同時，開通時二極管反向恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問題亦不存往。di/dt和du/dt的降低使得EMI問題得以解決。
軟開關(guān)技術(shù)實際上是利用電容與電感緩沖吸收原理，使開關(guān)器件中電流（或電壓）按正弦或準正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時，使器件關(guān)斷；當(dāng)電壓過零時，使器件開通-實現(xiàn)開關(guān)損耗為零。
軟開關(guān)技術(shù)在改善功率開關(guān)器件工作狀態(tài)方面效果明顯，使電力變換器的高頻化成為可能，提高了功率器件工作的可靠性和安全性，實現(xiàn)了開關(guān)器件的軟開關(guān)，使開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力減小，在減小電力變換器的體積、重量以及降低電磁干擾方面效果明顯。
1．緩沖吸收原理
緩沖電路（阻容吸收電路）主要用于抑制模塊內(nèi)部的IGBT單元的過電壓和du/dt或者過電流和di/dt，同時減小IGRT的開關(guān)損耗。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率、體積都較大，所以在IGBT模塊內(nèi)部并沒有專門集成這部分電路，因此，在實際的系統(tǒng)中設(shè)有緩沖電路，通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲存起來，電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。如果沒有緩沖電路，器件在開通時電流會迅速上升，di/dt也很大，關(guān)斷時du/dt很大，并會出現(xiàn)很高的過電壓，極易造成IGBT器件損壞。
有源緩沖電路通過增添輔助開關(guān)以減少開關(guān)損耗，但這也增加了主電路和控制電路的復(fù)雜程度，從而降低了性價比，也降抵了可靠性。RCVD緩沖電路雖然結(jié)構(gòu)最簡單，價格最便宜，但由于電阻消耗了能量，效率較低，在各種軟開關(guān)技術(shù)中性能最差。而諧振變換器雖然實現(xiàn)了ZVS或ZCS，減少了開關(guān)損耗，但諧振能量必須足夠大，才能創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，而且諧振電路中循環(huán)電流較大，還必須在特定的軟開關(guān)控制器的控制信號下工作，增加了通態(tài)損耗和成本，降低了可靠性。與這三種方法不同，無源無損緩沖電路既不使用有源器單，效率與有源緩沖電路、諧振變換器一樣高，電磁干擾小、造價低、性能好、可靠性高，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。
無源無損緩沖電路雖然無法像有源軟開關(guān)方案那樣，在超前或滯后主開關(guān)的控制時序下吸收能量或供給能量，以創(chuàng)造出真正的ZVS或ZCS條件，但它通過將開關(guān)期間的電壓與電流波形錯開，使二者的重疊面積最小，可以顯著降低開關(guān)損耗。雖然開關(guān)器件內(nèi)寄生結(jié)電容的放電損耗無法被無源無損緩沖電路所消除，但此種損耗較其他開關(guān)損耗低得多，對于提高整體效率影響較小。無源無損緩沖電路和其他軟開關(guān)方案相比，沒有增加額外的輔助有源器件損耗，因此，在同樣的開關(guān)損耗功率降低的情況下，無源無損緩沖電路可以獲得更高的效率提高。所以，無源無損緩沖電路被廣泛地應(yīng)用于PWM變換器中。
無損吸收網(wǎng)絡(luò)能夠把從輸入或輸出電路中吸收的能量進行再利用，能量傳輸?shù)姆绞蕉嗍欠答伣o電源或負載，或是在吸收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部循環(huán)。下圖所示的無損吸收網(wǎng)絡(luò)包括CDE電容模塊、二極管VD3以及電感L1，其中電容模塊內(nèi)封裝兩單元無感突波緩沖電容C1、C2與超快恢復(fù)緩沖二極管VD1、VD2。 IGBT關(guān)斷時電路開始工作，負載電流經(jīng)二極管VD1向緩沖電容C2充電，電容C1（導(dǎo)通期間已充電至U）經(jīng)VD3放電，能量反饋給負載，并提供負載電流的續(xù)流通路，IGBT集電極電流逐漸減小。當(dāng)C2充電到U，C1放電到零時，VD3關(guān)斷，感性負載中的電流流過主續(xù)流二極管VD4。由于電容C2兩端電壓不能瞬態(tài)突變，所以有效地限制了IGBT集電極電壓上升率du/dt，降低了IGBT的電壓應(yīng)力，同時集電極電流轉(zhuǎn)移到了緩沖電路，從而降低了關(guān)斷功耗。
IGBT開通時，二極管VD1、VD3關(guān)斷，C2、L1、C1組成諧振電路，U施加到吸收網(wǎng)絡(luò)電感L1的兩端，電流從C2通過L1和VD2紿C1充電。當(dāng)C2放電到零時，C1充電到U，電感L1中的電流為零，串聯(lián)的二極管VD2截止，諧振結(jié)束，C1儲存能量，為IGBT關(guān)斷作準備。在這一開通期間，由于負載電感L、集電板母線電感、各種雜散電感以及L1對集電極電流的限流作用，有效地限制了IGBT集電極電流七升率di/dt，降低IGBT的電流應(yīng)力，同樣也降低了開通功耗。這樣，緩沖電路不僅降低了器件的開關(guān)損耗，而且降低了器件所承受的電壓、電流應(yīng)力。
2．拓撲分類
在過去的幾十年里，出現(xiàn)了許多不同的無源無損緩沖電路的拓撲結(jié)構(gòu)，它們可以用一套屬性來描述。為此，可劃分為兩類：一類是最小電壓應(yīng)力單元(MVS)，如下圖 (a)、(b)所示；另一類是非最小電壓應(yīng)力單元(Non-MVS)，如圖 (c)、(d)、(e)、(f)所示。最小電壓應(yīng)力單元僅使用一個電感和電容值較小的電容就能使主開關(guān)管電壓應(yīng)力最小，但實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍不大；非最小電壓應(yīng)力單元增加了一個電感，同時也增加了主開關(guān)管的電壓應(yīng)力，但與最小電壓應(yīng)力單元相比，在同樣的電感和電容下，其軟開關(guān)范圍較大，而且在小功率情況下具有較高的效率。