IGBT无损吸收电路优化设计

1.缓冲吸收原理

缓冲电路（阻容吸收电路）主要用于抑制模块内部的IGBT单元的过电压和dv/dt或过电流和di/dt，同时减小IGBT的开关损耗。由于缓冲电路所需的电阻、电容的功率、体积都较大，所以在IGBT模块内部并没有专门集成该部分电路，因此，在实际的系统中设有缓冲电路，通过电容可把过电压的电磁能量变成静电能量储存起来，电阻可防止电容与电感产生谐振。如果没有缓冲电路，器件在开通时电流会迅速上升，di/dt也很大，关断时，dv/dt很大，并会出现很高的过电压，极易造成IGBT器件的损坏。

有源缓冲电路通过增添辅助开关以减少开关损耗，但这也增加了主电路和控制电路的复杂程度，从而增加了成本，也降低了可靠性；RCD缓冲电路虽然结构最简单，价格最便宜，但由于电阻消耗了能量，效率较低，在各种软开关技术中性能最差；而谐振变换器虽然实现了ZVS（零电压开关）或ZCS（零电流开关），减少了开关损耗，但谐振能量必须足够大，才能创造ZVS或ZCS条件，而且谐振电路中循环电流较大，还必须在特定的软开关控制器的控制信号下工作，增加了通态损耗、增加了成本、降低了可靠性。与这三种方法不同，无源无损缓冲电路既不使用有源器件，也不使用耗能元件，兼具有以上三种方法的优点。其结构与RCD缓冲电路一样简单，效率与有源缓冲电路、谐振变换器一样高，电磁干扰小、造价低、性能好、可靠性高，因而获得了广泛的应用。

无源无损缓冲电路虽然无法像有源软开关方案那样，在超前或滞后主开关的控制时序下吸收能量或供给能量，以创造出真正的ZVS或ZCS条件，但它通过将开关期间的电压与电流波形错开，使二者的重叠面积最小，可以显著降低开关损耗。虽然开关器件内寄生结电容的放电损耗无法被无源无损缓冲电路所消除，但此种损耗较其他开关损耗低得多，对于提高整体效率作用较小。无源无损缓冲电路和其他软开关方案相比，它没有增加额外的辅助有源器件损耗，因此，在同样的开关损耗功率降低情况下，无源无损缓冲电路可以获得更高的效率提高。所以，无源无损缓冲电路被广泛地应用于PWM变换器中。

无损吸收网络能够把从输入或输出电路中吸收的能量进行再利用，能量传输的方式多是反馈给电源或负载，或是在吸收网络内部循环。图5-52所示的无损吸收网络包括CDE电容模块、二极管VD3、电感L₁，其中电容模块内封装两单元无感突波缓冲电容C₁、C₂与超快恢复缓冲二极管VD1，VD2。

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图5-52 无损吸收网络

IGBT关断时电路开始工作，负载电流经二极管VD1向缓冲电容C₂充电，电容C₁（导通期间已充电至V）经VD3放电，能量反馈给负载，并提供负载电流的续流通路，IGBT集电极电流逐渐减少。当C₂充电到V，C₁放电到0时，VD3关断，感性负载中的电流流过主续流二极管VD。由于电容C₂两端电压不能瞬态突变，所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dv/dt，降低了IGBT的电压应力，同时，集电极电流转移到了缓冲电路，从而降低了关断功耗。

IGBT开通时，二极管VD1，VD3关断，C₂、L₁、C₁组成谐振电路，V施加到吸收网络电感L₁的两端，电流从C₂通过L₁和VD2给C₁充电。当C2放电到0时，C₁充电到V，电感L₁中的电流为0，串联的二极管VD2截止，谐振结束，C₁储存能量为IGBT关断作准备。在这一开通期间，由于负载电感L、集电极母线电感、各种杂散电感以及L₁对集电极电流的限流作用，有效地限制了IGBT集电极电流上升率di/dt、降低IGBT的电流应力，同样也降低了开通功耗。这样，缓冲电路不仅降低了器件的开关损耗，而且降低了器件所承受的电压、电流应力。

2.拓扑分类

在过去的几十年里，出现了许多不同的无源无损缓冲电路的拓扑结构，它们可以用其属性来描述。为此，可划分为两类：一类是最小电压应力单元（MVS），如图5-53a、图5-53b所示；另一类是非最小电压应力单元（Non-MVS），如图5-53c～图5-53f所示。最小电压应力单元仅使用一个电感和电容值较小的电容就能使主开关管电压应力最小，但实现软开关的范围不大；非最小电压应力单元增加了一个电感，同时也增加了主开关管的电压应力，但与最小电压应力单元相比，在同样的电感和电容下，其软开关范围较大。而且，在小功率情况下，具有较高的效率。