缓冲保护电路的分类及设计方法

1.缓冲保护电路分类

缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用，缓冲电路分为两种：一种是在所有的元件上以一对一安装缓冲电路的个别缓冲电路，另一种是在直流母线间集中安装的集中式缓冲电路。作为个别缓冲电路的代表实例，有以下几种缓冲电路。

1）RC缓冲电路。

2）充放电型RCD缓冲电路。

3）放电阻止型RCD缓冲电路。

作为集中式缓冲电路的代表实例，有以下几种缓冲电路。

1）C缓冲电路。

2）RCD缓冲电路。

在实际缓冲电路设计中，以简化缓冲电路为目的，采用集中式缓冲电路的情况正在增多。表5-4表示使用集中式C缓冲电路时的缓冲电容的标准。

表5-4 集中式C缓冲电容的标准值

C缓冲电路如图5-48a所示，采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡，而且IGBT导通时集电极电流较大。

RC缓冲电路如图5-48b所示，其特点是适合于斩波电路，但在用于大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值增大，否则，导通时集电极电流过大，使IGBT的性能受到一定限制。

RCD缓冲电路如图5-48c所示，与RC缓冲电路相比，其特点是增加了缓冲二极管，从而使缓冲电阻增大，避开了导通时IGBT性能受阻的问题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为

图5-48 缓冲保护电路

a）C缓冲电路 b）RC缓冲电路 c）RCD缓冲电路 d）放电阻止型缓冲电路

式中，L为主电路中的分布电感；I为IGBT关断时

的集电极电流；f为IGBT的开关频率；C为缓冲电容；V_d为直流电压值。放电阻止型缓冲电路如图5-48d所示，与RCD缓冲电路相比，其特点是产生的损耗小，

适合于高频开关。在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为

在IGBT保护电路设计时，应根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，抑制关断浪涌电压。在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好。

对于IGBT关断过电压和续流二极管反向恢复过电压，采用缓冲电路是抑制集电极、发射极间过电压的有效措施。缓冲电路之所以能减小IGBT集电极-发射极间的过电压，是因为它给回路电感提供了泄能回路，降低了回路电感上电流的变化率。在逆变电源中所采用的缓冲电路如图5-49所示，图5-49所示电路中采用抑制过电压的器件有：

1）金属氧化物压敏电阻（R_r1～R_r5）。金属氧化物压敏电阻是一种良好的电压尖峰抑制器件，它的响应时间近似ns级，能抑制宽度很窄的尖峰电压，金属氧化物压敏电阻具有通流容量大（500A～5000A），平均漏电流小（几μA），使用电压范围广（30V～1500V），体积小、可靠性高且价格便宜等特点。但它能抑制的尖峰电压宽度不能过大，否则压敏电阻将会因功耗过大而烧坏。

2）并在直流母线上的无感电容。在图5-49中由R、C、VD构成放电阻止型缓冲电路，在该电路中要选择高频特性好的无感电容器作为缓冲电容，要选择过渡正向电压低、反向恢复时间短、反向恢复特性软的二极管作为缓冲二极管，缓冲二极管的反向耐压及峰值正向电流要与IGBT的额定电压及额定电流匹配。

IGBT的关断缓冲吸收电路又可分为充放电型和放电阻止型，充放电型有RC吸收和RCD吸收2种。如图5-50所示。RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。RCD电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而克服了过冲电压。

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图5-49 缓冲电路

图5-50 充放电型IGBT缓冲吸收电路

a）RC型 b）RCD型

图5-51所示为三种放电阻止型吸收电路，在放电阻止型缓冲电路中，吸收电容C₁（C₂）的放电电压为电源电压，每次关断前，C₁（C₂）仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗。因电容电压在IGBT关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如RCD充放电型。从吸收过电压的能力来说，放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗较小。

图5-51 三种放电阻止型吸收电路

a）LC型 b）RLC型 c）RLCD型

在实际工作中，电容C选用高频低感聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2μF左右。电容量选得大一些，对浪涌尖峰电压的抑制好，但过大会受到放电时间的限制。电阻R选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按R≤T/6C计算，T为主电路的开关周期。二极管应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。对缓冲吸收电路的要求是：

1）因缓冲电路的配线产生的电感是发生尖峰电压的原因，布线时应尽量减小主电路的布线电感L。

2）吸收电容应采用低感吸收电容，它的引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子上。

3）吸收二极管应选用快导通和软恢复二极管，以免产生导通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。

2.放电阻止型RCD缓冲电路设计

放电阻止型RCD缓冲电路在IGBT的C-E间的电压超过直流电源电压时开始动作，但在实际装置中，由于在缓冲电路的配线电感和缓冲二极管瞬态正向电压下降的影响下，关断时有尖峰电压存在，为此，关断时的动作轨迹必须控制在IGBT的RBSOA区域内。另外，关断时的尖峰电压可以通过下式求出。

V_CESP=Ed^+VFM+（-L_SdI_c/dt） （5-8）

式中，E_d为直流电源电压；V_FM为缓冲二极管瞬态正向电压下降；L_S为缓冲电路的配线电感；dI_c/dt为关断时的集电极电流变化率最大值。

1）缓冲电容器（C_S）电容值的求法。缓冲电容器可按下式求出：

式中，E_d为直流电源电压；L为主电路的寄生电感；I₀为IGBT关断时的集电极电流；V_CEP为缓冲电容器电压的最终达到电压值。

应将V_CEP控制在IGBT的C-E间的耐压值以下，并应选择高频性能良好的缓冲电容器（薄膜电容器）。

2）缓冲电阻（R_S）值的求法。要求缓冲电阻在IGBT下一次关断动作进行前，将存储在缓冲电容器中的电荷放电。在IGBT进行下一次断开动作前，将存储电荷的90%放电的条件下，求取缓冲电阻的方法如下：

式中，f为交换频率。

缓冲电阻值如果设定过低，由于缓冲电路的电流振荡，IGBT开通时的集电极电流峰值增加，应在满足式（5-10）的范围内尽量设定为高值，缓冲电阻发生的损耗P_RS与电阻值无关，可由下式计算：

3）缓冲二极管的选定。缓冲二极管的瞬态正向电压下降是关断时发生尖峰电压的原因之一，另外，一旦缓冲二极管的反向恢复时间加长，高频交换动作时缓冲二极管产生的损耗就变大，缓冲二极管的反向恢复急剧，并且在缓冲二极管的反向恢复动作时，IGBT的C-E间电压急剧地大幅度振荡。应选择瞬态正向电压低，反向恢复时间短，反向恢复平顺的缓冲二极管。