1、1 緩沖電路作用緩沖電路一般并聯(lián)在開(kāi)關(guān)器件兩端，主要有抑制過(guò)電壓、降低器件損耗、消除電磁干擾的作用。1) 抑制過(guò)電壓逆變器高頻工作時(shí)，開(kāi)關(guān)器件快速開(kāi)通、關(guān)斷。由于主電路存在雜散電感，器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，急劇變化的主電路電流會(huì)在雜散電感上感應(yīng)出很高的電壓，使器件在關(guān)斷時(shí)承受很高的關(guān)斷電壓。在器件關(guān)斷時(shí)，主電路雜散電感上會(huì)產(chǎn)生與直流電壓同向的感應(yīng)電壓 ，若無(wú)緩沖電路，則該電壓會(huì)加在器件兩端形成過(guò)電壓，當(dāng)該電壓超過(guò)器件額定電壓時(shí)，器件損壞。此外，反并聯(lián)二極管在反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的di/dt也會(huì)導(dǎo)致較高的過(guò)電壓。2) 降低器件損耗已知器件的功耗由下式?jīng)Q定： 在電路中增加緩沖電路，可以改變器件的電壓、電流波形

2、，進(jìn)而降低損耗。從下圖可知，在沒(méi)有緩沖電路時(shí)，電壓快速升至最大值，而此時(shí)電流依然是最大值，此時(shí)的損耗最大。加入緩沖電路后，避免了電壓、電流出現(xiàn)同時(shí)最大值的情況，損耗得以降低。3) 消除電磁干擾電路運(yùn)行時(shí)，在沒(méi)有緩沖電路的情況下，器件兩端電壓會(huì)發(fā)生高頻振蕩，產(chǎn)生電磁干擾。采用緩沖電路，可抑制器件兩端電壓的高頻振蕩，起到減小電磁干擾的作用。因此，降低或消除器件電壓、電流尖峰，限制dI/dt或dV/dt，降低開(kāi)關(guān)過(guò)程中的振蕩以及損耗，我們?cè)谀孀兤髦性O(shè)計(jì)緩沖電路，以保證器件安全可靠工作。2 雜散電感的測(cè)量與計(jì)算設(shè)計(jì)緩沖回路之前，首先需要確定雜散參數(shù)的量。雜散電感是特定電路布局的結(jié)果，不容易計(jì)算出來(lái)，我

3、們一般采用測(cè)量的方法來(lái)確定雜散電感的大小。在沒(méi)有任何緩沖回路時(shí)，用示波器觀察器件關(guān)斷時(shí)的振蕩周期T1；接著，在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)一個(gè)值確定的電容，即測(cè)試電容 ，重新測(cè)量器件關(guān)斷時(shí)的振蕩周期T2。則雜散電感可由下式得出： 雜散電容為： 其中 為無(wú)緩沖電路時(shí)的振蕩頻率。3 緩沖電路分類(lèi)緩沖電路主要分為如下三類(lèi)，分為C型緩沖電路、RC型緩沖電路、RCD型緩沖電路。圖C緩沖電路適用于小功率等級(jí)的IGBT，對(duì)瞬變電壓非常有效且成本較低。但這種緩沖電路隨著功率等級(jí)的增大，會(huì)與直流母線(xiàn)寄生電感產(chǎn)生振蕩。RCD型緩沖電路則可以避免這種情況，由于快恢復(fù)二極管可以箝位瞬變電壓，從而抑制諧振產(chǎn)生。在功率等級(jí)進(jìn)一步增大時(shí)

4、，此種緩沖電路的回路寄生電感會(huì)變得很大，導(dǎo)致不能有效控制瞬變電壓。因此在大功率場(chǎng)合可用RCD緩沖電路，該緩沖電路既可有效抑制振蕩還具有回路寄生電感較小的優(yōu)點(diǎn)。電路類(lèi)型C型吸收電路RC型吸收電路RCD型吸收電路特點(diǎn)電路簡(jiǎn)單、成本低、易產(chǎn)生振蕩、會(huì)引起集電極電流升高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易造成過(guò)沖電壓、會(huì)引起集電極電流升高克服過(guò)沖電壓過(guò)高、過(guò)電壓抑制效果較好、會(huì)引起集電極電流升高范圍中等容量裝置小容量、低頻率裝置小容量、低頻率裝置下表是針對(duì)直流母線(xiàn)電感量，以過(guò)沖電壓100V為前提計(jì)算出的推薦值，便于緩沖電路的設(shè)計(jì)。4 緩沖電路工作原理及計(jì)算線(xiàn)路因雜散電感會(huì)產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌高壓,這種浪涌電壓如果不加以抑制,可能會(huì)

5、造成功率開(kāi)關(guān)器件的損壞。而減少這種浪涌電壓的途徑有2種,一是采用層狀母線(xiàn)結(jié)構(gòu),降低母線(xiàn)寄生漏電感;另一種方法是安裝緩沖電路。緩沖電路在開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)工作,起到提供旁路的作用,從而達(dá)到抑制尖峰電壓的目的,同時(shí)還可以減小功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。4.1 電容型緩沖電路電容型緩沖電路在器件開(kāi)通時(shí)有浪涌電流，因此用于小電流應(yīng)用場(chǎng)合（<50A）。在高頻場(chǎng)合下，為減小損耗，也會(huì)考慮這種拓?fù)洹８鶕?jù)能量轉(zhuǎn)移關(guān)系，要求在器件開(kāi)通過(guò)程中將吸收的能量釋放：IdVds(td-f+tf)2=12CVds2可得：C=Id(td-f+tf)Vds4.2 RC型緩沖電路RC緩沖電路中，緩沖電阻R越小，緩沖電容越大，則緩沖效果

6、越明顯，但是要考慮電阻R上的損耗。器件關(guān)斷時(shí)，電容C儲(chǔ)存能量，在下一次器件開(kāi)通時(shí)，電容中的能量以熱能的形式消耗在電阻R上，而電容上的存儲(chǔ)的能量為： 其中， 為器件關(guān)斷電壓。又在電阻上消耗的能量與每個(gè)周期電容的充放電次數(shù)成正比，因此在電阻上消耗的能量為： 其中f為器件工作頻率。n為每個(gè)周期電容電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)，半橋電路中，每個(gè)周期電容電壓發(fā)生兩次轉(zhuǎn)換，因此n取2，即： 緩存電容的選擇要滿(mǎn)足兩個(gè)要求，首先, 緩存電容能夠存儲(chǔ)的能量要比電路中雜散電感存儲(chǔ)的能量要大，也就是要滿(mǎn)足下式： 其次，緩沖電路的時(shí)間常數(shù)要比功率器件導(dǎo)通時(shí)間短, 這樣在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候存儲(chǔ)在緩存電路中的能量才能夠釋放完畢， 一般情況

7、下，認(rèn)為3倍的時(shí)間常數(shù)可以完成放電過(guò)程，則： 其中 ，D為占空比，T器件開(kāi)關(guān)周期。所以 此外，還要考慮放電電流不可太大。最后綜合電阻功率與過(guò)壓情況選擇參數(shù)。綜上所述，得到： 4.3 RCD緩沖電路RCD型電路又分為如下三類(lèi)。其中，型電路采用2組 型緩沖電路, 使用快恢復(fù)二極管鉗位瞬變電壓, 可抑制振蕩發(fā)生, 適用于中大容量器件, 但緩沖電路的損耗很大。型電路將RCD 緩沖電路直接并接在橋臂兩端, 這種電路抑制器件關(guān)斷瞬態(tài)電壓的效果好, 而抑制器件開(kāi)通時(shí)的瞬態(tài)電壓效果稍差。 型緩沖電路由于每個(gè)元件有各自獨(dú)立的吸收電路, 既可抑制關(guān)斷浪涌電壓, 緩沖電路的損耗又很小, 適合于大功率電路。電路類(lèi)型R

8、CD吸收電路（型）RCD吸收電路（型）特點(diǎn)過(guò)電壓抑制效果好、不會(huì)引起集電極電流上升、附加損耗小、吸收回路寄生電感較大過(guò)電壓抑制效果好、不會(huì)引起集電極電流上升、附加損耗小、吸收回路寄生電感小適用范圍中等容量、較高頻率裝置大容量、高頻率裝置4.3.1 型緩沖電路緩沖電路工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單分析如下:當(dāng)開(kāi)關(guān)管T截止時(shí),原來(lái)流過(guò)引線(xiàn)電感Ls的電流通過(guò)Cs、Ds旁路,從而將Ls上的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到Cs,避免在器件關(guān)斷時(shí)由于電流突變,引起在器件兩端產(chǎn)生很高的電壓尖峰,因而大大降低了在開(kāi)關(guān)管截止瞬間在其兩端所產(chǎn)生的過(guò)電壓;當(dāng)開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí),Cs的儲(chǔ)能通過(guò)開(kāi)關(guān)管T、緩沖電阻Rs釋放,從而使其兩端的電壓下降到母線(xiàn)電源電壓

9、Vd,為下次的緩沖吸收作好準(zhǔn)備。以開(kāi)關(guān)T1關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)來(lái)分析緩沖電路的工作原理,其工作過(guò)程可分為3個(gè)階段,即線(xiàn)性化換流、雜散電感Lp諧振放能、緩沖電容Cs放電。a) 線(xiàn)性化換流過(guò)程此階段從開(kāi)關(guān)T1接收關(guān)斷信號(hào)開(kāi)始到開(kāi)關(guān)T1完全截止結(jié)束。流過(guò)Lp的母線(xiàn)電流經(jīng)T1和緩沖電路2條支路分流。由于此過(guò)程時(shí)間很短,一般為納秒級(jí),因此可將此工作過(guò)程中電壓、電流的變化線(xiàn)性化來(lái)處理。其等效電路如下圖：設(shè)線(xiàn)性化換流過(guò)程持續(xù)的時(shí)間為tf，由上圖得： 當(dāng)t=tf時(shí)，即換流過(guò)程結(jié)束，有： 在此過(guò)程中，開(kāi)關(guān)器件1端的電壓為ucs+Lsdicsdt，由于實(shí)際的換流過(guò)程并非完全線(xiàn)性，因此在過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)第一個(gè)電壓尖峰，且此電

10、壓尖峰與母線(xiàn)電流IL、緩沖電路寄生電感Ls、關(guān)斷時(shí)電流的didt有關(guān)。b) 雜散電感Lp諧振放能階段線(xiàn)性化換流階段結(jié)束后,開(kāi)關(guān)完全截止。主回路雜散電感與緩沖電容Cs諧振, 中儲(chǔ)存的能量通過(guò)Cs泄放·當(dāng)Vcs達(dá)到諧振峰值時(shí),回路電流i為零,緩沖電路二極管DS截止,鉗位ucs防止振蕩的發(fā)生。在此過(guò)程中將出現(xiàn)第二個(gè)電壓尖峰，且此電壓尖峰是由雜散電感Lp引起，在下面的分析中可看到，該電壓尖峰與母線(xiàn)電流IL、雜散電感、緩沖電路寄生電感Ls、緩沖電容Cs有關(guān)。這一過(guò)程的等效電路如下圖：令 電路方程為： 初始條件為： 由電路方程得： 其中，Zs=(LsCs)12,k0=1(LsCs)1/2，h=a

11、rctanVcs0-Vdc/Zsi0可求得，當(dāng)k0t-h=/2時(shí)，電容Cs兩端的電壓峰值： 因此，可得： 若是忽略換流器件ucs的升高，可?。?c) 緩沖電容Cs放電階段及緩沖電阻的參數(shù)計(jì)算諧振放能階段結(jié)束后, Cs通過(guò)Rs、電源和負(fù)載放電。在放電期間,可認(rèn)為負(fù)載是恒流源。有了負(fù)載后,可不考慮Ls、Lp對(duì)放電的影響。其等效電路圖如下圖。電路方程為: 初始條件為： 可求得在放電過(guò)程中： 對(duì)于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緩沖電路,允許Cs放電的最大時(shí)間各不一樣。對(duì)于三相兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其最大放電時(shí)間為T(mén)s/3 (線(xiàn)性化換流時(shí)間和諧振放能時(shí)間相對(duì)很短,可忽略)。對(duì)單相逆變器，其最大放電時(shí)間為T(mén)s/2,假設(shè)當(dāng)ucst

12、=1.01Ud時(shí)認(rèn)為Cs上的過(guò)電壓放電完畢,且限定U%=ucspk-UdUd×100%=15%，則三相兩電平拓?fù)湎拢?由前面可知：PRs=1.5IL2Lfs同理可求出單相拓?fù)湎拢?PRs=IL2Lfs1) 緩沖二極管的選擇緩沖二極管電壓容量應(yīng)與IGBT額定電壓容量相當(dāng),且應(yīng)選用快速軟恢復(fù)二極管。在緩沖電路工作過(guò)程中,只有線(xiàn)性化換流階段和Ls諧振放能階段有電流流過(guò)緩沖二極管。在線(xiàn)性化換流階段電流為iDs=IL×ttf，在諧振放能階段電流由前面式可得為iDs=ILcos(k0t-h)（忽略線(xiàn)性化換流階段電壓的變化),由此可得流過(guò)Ds電流的有效值:IDSF=3Ts0tf(ILtt

13、f)2dt+tf+2h2k0ILcos(k0t-h)2dt=IL1Tstf+34k0(+2h+sin2h)同理可得單相逆變器中二極管：IDSF=IL1Ts23tf+12k0(+2h+sin2h)從上面的計(jì)算可以看出,大功率的IGBT電路要求緩沖回路的寄生電感非常小.在工程實(shí)現(xiàn)上可從三個(gè)方面到達(dá)上述要求.1)選用無(wú)感型電阻、電容和快速恢復(fù)型二極管.2)緩沖回路盡量靠近IGBT.3)盡量采用多個(gè)小的電容并聯(lián)構(gòu)成緩沖電容,因?yàn)樵叫〉碾娙莶⒙?lián)成的等效電容的寄生電感要比單個(gè)電容要小得多。4.3.2 型RCD緩沖電路4.3.3 型RCD緩沖電路型RCD緩沖電路與前面的型RCD緩沖電路工作原理相似。以開(kāi)關(guān)管

14、T1關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)，分析緩沖電路的工作原理，其工作過(guò)程可分為：線(xiàn)性化換流、母線(xiàn)寄生電感Lp諧振轉(zhuǎn)移能量和緩沖電容Cs放電共3個(gè)階段。1) 線(xiàn)性化換流過(guò)程此階段從開(kāi)關(guān)管 T1接收關(guān)斷信號(hào)開(kāi)始到開(kāi)關(guān)管 T1完全截止結(jié)束。流過(guò)母線(xiàn)寄生電Lp的母線(xiàn)電流Io經(jīng) T1和緩沖電路 2 條支路分流。由于這個(gè)過(guò)程時(shí)間極短，一般為納秒級(jí)，故此過(guò)程中的電流、電壓變化可線(xiàn)性化處理。由于實(shí)際的換流并非完全線(xiàn)性，因此在這個(gè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)第一個(gè)電壓尖峰 ( 圖 3 中Up1)。這個(gè)尖峰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路寄生

15、電感Ls，可估計(jì)出Up1為：Up1=Lsdidt式中：Ls為緩沖電路的等效寄生電感；di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的電流變化率。2) 母線(xiàn)寄生電感Lp諧振轉(zhuǎn)移能量過(guò)程及緩沖電容Cs的參數(shù)計(jì)算在線(xiàn)性化換流階段結(jié)束后，開(kāi)關(guān)管T1完全截止。此時(shí)，主回路寄生電感Lp與緩沖電容Cs產(chǎn)生諧振，Lp中儲(chǔ)存的能量向Cs轉(zhuǎn)移。當(dāng)緩沖電容上電壓UCs達(dá)到最大值UCspk，即諧振峰值時(shí)，諧振電流i為零，緩沖電路二極管Ds截止，箝位UCs防止有振蕩。在這個(gè)過(guò)程中將出現(xiàn)第二個(gè)電壓尖峰(圖3中Up2)。此尖峰主要是由母線(xiàn)寄生電感Lp引起，可以用能量守恒定律來(lái)確定Up2:12Lpi2=12CsUp22式中：Lp為母線(xiàn)

16、寄生電感；i為工作電流；Cs 為緩沖電容值；Up2為緩沖電壓峰值。如果已經(jīng)確定了Up2的限定值，則可用式(2)確定緩沖電容Cs的值:Cs=Lpi2Up223) 緩沖電容Cs放電階段及緩沖電阻Rs的參數(shù)計(jì)算在第二階段結(jié)束之后，緩沖電容Cs上過(guò)沖能量通過(guò)緩沖電阻 Rs、電源和負(fù)載放電。在放電過(guò)程中，近似認(rèn)為負(fù)載是恒流源。因?yàn)樨?fù)載的存在，可不考慮 Ls、Lp對(duì)放電的影響。其等效電路圖如下圖所示。電路方程：Ucs-UdRs=-CsdUcsdt初始條件為：Ucs0=Ucspk=Ud+Up2在Cs放電階段：Ucst=Ud+Up2e-tRsCs可得：Rs=-tCslnUcs(t)-UdUp2ics=-Csd

17、Ucsdt=Up2Rse-tRsCs對(duì)于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緩沖電路，允許Cs放電的最大時(shí)間也各不一樣。為保證開(kāi)關(guān)管T1再次關(guān)斷前，能將儲(chǔ)存在Cs中的過(guò)電壓能量90%放電，求取緩沖電阻Rs的方法如下，f為交換頻率。Rs13Csf緩沖電阻值Rs如果設(shè)定過(guò)低，由于緩沖電路的電流振蕩，IGBT開(kāi)通時(shí)的集電極電流峰值也會(huì)相應(yīng)增加。因此，應(yīng)在滿(mǎn)足上式的范圍內(nèi)盡量將Rs設(shè)定為高值，參數(shù)可按下式校驗(yàn)：Rs12LpCs4) 緩沖二極管Ds的選擇首先，緩沖二極管電壓容量應(yīng)與 IGBT 額定電壓容量相當(dāng)。其次，緩沖二極管的瞬態(tài)正向電壓下降是關(guān)斷時(shí)發(fā)生尖峰電壓的原因之一。此外，一旦緩沖二極管的反向恢復(fù)時(shí)間加長(zhǎng)，高頻交換動(dòng)

18、作時(shí)緩沖二極管產(chǎn)生的損耗就變大，反向恢復(fù)急劇，并且緩沖二極管的反向恢復(fù)動(dòng)作時(shí) IGBT 的 C-E 間電壓急劇地大幅度振蕩。綜上所述，緩沖二極管應(yīng)選擇電壓容量合適，瞬態(tài)正向電壓低，反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)平順的二極管。5 緩沖電路的仿真分析及選取為分析雜散參數(shù)對(duì)電路工作及器件的特性的影響，對(duì)以SiC MOS為開(kāi)關(guān)器件的三相全橋逆變電路利用pspice進(jìn)行仿真。電源電壓Udc=800V ，主回路寄生電感Lp=200nH,工作頻率50kHz，負(fù)載電流有效值為78A。仿真主電路如下圖。無(wú)仿真電路時(shí)的電路波形如下圖，電路發(fā)生振蕩，且損耗較大。因此，需要加入緩沖電路。無(wú)仿真電路時(shí)的電路波形如下圖，下圖分

19、別為上橋臂的電壓及電流波形以及一個(gè)開(kāi)關(guān)周期上的波形，從圖中可以看出，在沒(méi)有緩沖電路時(shí)，電路發(fā)生振蕩，上臂電流過(guò)沖至130A，上臂電壓過(guò)沖至1.5kV，且損耗較大。因此，需要加入緩沖電路，以保護(hù)器件正常工作。圖中紅色曲線(xiàn)為電流波形，藍(lán)色曲線(xiàn)為電壓波形，綠色曲線(xiàn)為負(fù)載電流波形。當(dāng)上橋臂關(guān)斷時(shí)，雜散電感電壓發(fā)生過(guò)沖振蕩。通過(guò)仿真選定緩沖電路形式及緩沖電路組數(shù)（1組或者3組或者6組），為每個(gè)橋臂添加0.7uF的電容做緩沖電路，仿真結(jié)果如下：從圖中可以看出，電壓過(guò)沖明顯減小。6 緩沖電路應(yīng)用的注意事項(xiàng)在以SiC MOSFET為開(kāi)關(guān)器件的主電路中，造成SiC MOSFET損壞的主要原因有三個(gè)：漏源過(guò)壓損壞

20、、柵極過(guò)壓損壞、過(guò)熱損壞。為防止前兩種損壞的發(fā)生，采用緩沖電路解決。此外，柵極過(guò)壓損壞的原因主要是由于主電路中的雜散電感帶來(lái)的。因此如何盡量減小主回路中的雜散電感成為功率主電路設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。這對(duì)逆變器電路設(shè)計(jì)者提出了一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)槠骷旧淼耐庑纬叽缂盁嵩O(shè)計(jì)要求較長(zhǎng)的功率回路接線(xiàn),采用傳統(tǒng)的母線(xiàn)電路,這些較長(zhǎng)的線(xiàn)路中將會(huì)有更多的寄生電感,使緩沖電路的設(shè)計(jì)變得很困難。為了得到一種適合大電流工作的低母線(xiàn)電感電路，就需要特殊的母線(xiàn)結(jié)構(gòu)，由交錯(cuò)鍍銅層和絕緣層構(gòu)成的迭層母線(xiàn)設(shè)計(jì)，可以使電感量降低。迭層母線(xiàn)中被絕緣層隔離的寬板用于正極和負(fù)極母線(xiàn)的聯(lián)接,這種寬板起到了防止功率回路中寄生電感的作用，為了使母線(xiàn)電感盡量達(dá)到最小,寬平正、負(fù)母線(xiàn)極板把開(kāi)關(guān)器件與主電容組相連接。從前面的分析可知，緩沖電路在關(guān)斷過(guò)程中將出現(xiàn)兩個(gè)電壓尖峰,第一個(gè)電壓尖峰出現(xiàn)在換流階段,此電壓尖峰主要由緩沖電路寄生電感引起的;第二個(gè)電壓尖峰出現(xiàn)在Lp諧振放能階段,此電壓尖峰是由于LP儲(chǔ)能的釋放引起的。同時(shí)在緩沖電容Cs放電階段,由于緩沖二極管的反向恢復(fù)特性,還將出現(xiàn)振蕩。應(yīng)此，如何有效抑制兩次電壓尖峰以及如何使SiC MOSFET極端壓快速穩(wěn)定是SiC MOSFET緩沖電路設(shè)計(jì)時(shí)所要解決的主要問(wèn)題。為有效抑制第一個(gè)電壓尖峰,應(yīng)盡量減小緩沖電路的雜散電感Ls