電力電子器件的緩沖電路

1、 緩沖電路的作用與基本類型

　　電力電子器件的緩沖電路(snubber circuit)又稱吸收電路，它是電力電子器件的一種重要的保護(hù)電路，不僅用于半控型器件的保護(hù)，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的應(yīng)用技術(shù)中起著重要的作用。

　　晶閘管開(kāi)通時(shí)，為了防止過(guò)大的電流上升率而燒壞器件，往往在主電路中串入一個(gè)扼流電感，以限制過(guò)大的di/dt，串聯(lián)電感及其配件組成了開(kāi)通緩沖電路，或稱串聯(lián)緩沖電路。晶閘管關(guān)斷時(shí)，電源電壓突加在管子上，為了抑制瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)大的電壓上升率，以防止晶閘管內(nèi)部流過(guò)過(guò)大的結(jié)電容電流而誤觸發(fā)，需要在晶閘管的兩端并聯(lián)一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成關(guān)斷緩沖電路，或稱并聯(lián)緩沖電路。

　　GTR、GTO等全控型自關(guān)斷器件在實(shí)際使用中都必須配用開(kāi)通和關(guān)斷緩沖電路；但其作用與晶閘管的緩沖電路有所不同，電路結(jié)構(gòu)也有差別。主要原因是全控型器件的工作頻率要比晶閘管高得多，因此開(kāi)通與關(guān)斷損耗是影響這種開(kāi)關(guān)器件正常運(yùn)行的重要因素之一。例如，GTR在動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程中易產(chǎn)生二次擊穿的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又與開(kāi)關(guān)損耗直接相關(guān)。所以減少全控器件的開(kāi)關(guān)損耗至關(guān)重要，緩沖電路的主要作用正是如此，也就是說(shuō)GTR和功率MOSFET用緩沖電路抑制di/dt和du/dt，主要是為了改變器件的開(kāi)關(guān)軌跡，使開(kāi)關(guān)損耗減少，進(jìn)而使器件可靠地運(yùn)行。

　　圖1(a)是沒(méi)有緩沖電路時(shí)GTR開(kāi)關(guān)過(guò)程中集電極電壓u_CE和集電極電流i_C的波形，由圖可見(jiàn)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中都存在u_CE和i_C同時(shí)達(dá)到最大值的時(shí)刻；因此出現(xiàn)了瞬時(shí)的最大開(kāi)關(guān)損耗功率P_on和P_off，從而危及器件的安全。所以，應(yīng)采用開(kāi)通和關(guān)斷緩沖電路，抑制開(kāi)通時(shí)的di/dt，降低關(guān)斷時(shí)的du/dt，使u_CE和i_C的最大值不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。

　　圖1(b)是GTR開(kāi)關(guān)過(guò)程中的u_CE和i_C的軌跡，其中軌跡1和2是沒(méi)有緩沖電路的情況，開(kāi)通時(shí)u_CE由U_CC（電源電壓）經(jīng)矩形軌跡降到0，相應(yīng)地i_C由0升到I_CM；關(guān)斷時(shí)i_C由I_CM經(jīng)矩形軌跡降到0，相應(yīng)地u_CE由0升高到U_CC。不但集電極電壓和電流的最大值同時(shí)出現(xiàn)，而且電壓和電流都有超調(diào)現(xiàn)象，這種情況下瞬時(shí)功耗很大，極易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致GTR的二次擊穿而損壞。加上緩沖電路后，u_CE和i_C的開(kāi)通與關(guān)斷軌跡分別如3和4所示，由圖可見(jiàn)，其軌跡不再是矩形，避免了兩者同時(shí)出現(xiàn)最大值的情況，大大降低了開(kāi)關(guān)損耗，并且最大程度地利用于GTR的電氣性能。

　　GTR的開(kāi)通緩沖電路用來(lái)限制導(dǎo)通時(shí)的di/dt，以免發(fā)生元件的過(guò)熱點(diǎn)，而且它在GTR逆變器中還起著抑制貫穿短路電流的峰值及其di/dt的作用。GTO的關(guān)斷緩沖電路不僅為限制GTO關(guān)斷時(shí)再加電壓的du/dt及過(guò)電壓，而且對(duì)降低GTO的關(guān)斷損耗，使GTO發(fā)揮應(yīng)有的關(guān)斷能力，充分發(fā)揮它的負(fù)荷能力起重要作用。{{分頁(yè)}}

　　IGBT的緩沖電路功能更側(cè)重于開(kāi)關(guān)過(guò)程中過(guò)電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30~50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的Ldi_C/dt，從而產(chǎn)生過(guò)電壓，危及IGBT的安全。圖2(a)和圖2(b)是PWM逆變器中IGBT在關(guān)斷和開(kāi)通中的u_CE和i_C波形。由圖2(a)可見(jiàn)，在i_C下降過(guò)程中IGBT上出現(xiàn)了過(guò)電壓，其值為電源電壓U_CC和Ldi_C/dt兩者的疊加。

　　圖2(b)為開(kāi)通時(shí)的u_CE和i_C波形，圖中增長(zhǎng)極快的i_C出現(xiàn)了過(guò)電流尖峰i_CP，當(dāng)i_CP回落到穩(wěn)定值時(shí)，過(guò)大的電流下降率同樣會(huì)引起元件上的過(guò)電壓而須加以吸收（如圖所示）。逆變器中IGBT開(kāi)通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使i_C出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。

　　綜上所述，緩沖電路對(duì)于工作頻率高的自關(guān)斷器件，通過(guò)限壓、限流、抑制di/dt和du/dt，把開(kāi)關(guān)損耗從器件內(nèi)部轉(zhuǎn)移到緩沖電路中去，然后再消耗到緩沖電路的電阻上，或者由緩沖電路設(shè)法再反饋到電源中去。此緩沖電路可分為兩在類，前一種是能耗型緩沖電路，后一種是反饋型緩沖電路。能耗型緩沖電路簡(jiǎn)單，在電力電子器件的容量不太大，工作頻率也不太高的場(chǎng)合下，這種電路應(yīng)用很廣泛。

2、  緩沖電路的基本結(jié)構(gòu)

緩沖電路的功能包括抑制和吸收二個(gè)方面。圖3(a)是這種電路的基本結(jié)構(gòu)，串聯(lián)的L_S用于抑制di/dt的過(guò)量，并聯(lián)的C_S通過(guò)快速二極管D_S充電，吸收器件上出現(xiàn)的過(guò)電壓能量，由于電容電壓不會(huì)躍變，限制了重加du/dt。當(dāng)器件開(kāi)通時(shí)C_S上的能量經(jīng)R_S泄放。對(duì)于工作頻率較高、容量較小的裝置，為了減少損耗，可將圖3(a)的RLCD電路簡(jiǎn)化為圖3(b)的形式。這種由RCD網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的緩沖電路普遍用于GTR、GTO、電力MOSFET及IGBT等電力電子器件的保護(hù)。

　　圖4所示的幾種緩沖電路是上述基本RCD緩沖電路的簡(jiǎn)化或演變。如圖4所示，既可用于逆變器中IGBT模塊的保護(hù)，也適用于其他電子器件的緩沖保護(hù)；但其性能有所不同。圖4(a)是最簡(jiǎn)單的單電容電路，適用于小容量的IGBT模塊（10~50A）或其他容量較小的器件；但由于電路中有無(wú)阻尼元件，容易產(chǎn)生振蕩，為此C_S中可串入R_S加以抑制，這種RC緩沖電路在晶閘管的保護(hù)中已用得很普遍。圖4(b)是把RCD緩沖電路用于由兩只IGBT組成橋臂的模塊上，此電路比較簡(jiǎn)單；但吸收功能較單獨(dú)使用RCD時(shí)略差，多用于小容量元件的逆變器橋臂上。有時(shí)還可以把圖4(a)、圖4(b)兩種緩沖電路并聯(lián)使用，以增強(qiáng)緩沖吸收的功能。圖4(c)是R_S交叉連結(jié)的緩沖電路，當(dāng)器件開(kāi)斷時(shí)，C_S經(jīng)D_S充電，抑制du/dt；當(dāng)器件開(kāi)通前，C_S經(jīng)電源和R_S釋入電荷，同時(shí)有部分能量得到反饋，這種電路對(duì)大容量的器件，例如，400A以上的IGBT模塊比較適合。{{分頁(yè)}}

　　圖4(d)是大功率GTO逆變橋臂上的非對(duì)稱RLCD緩沖電路。圖4(d)中電感受L_S經(jīng)過(guò)D_S和R_S釋放磁場(chǎng)能量。GTO開(kāi)斷時(shí)，C_S經(jīng)D_S吸收能量并經(jīng)R_S把部分能量反饋到電網(wǎng)上去；因此損耗較小，適用于大容量的GTO逆變器。圖4(c)和圖4(d)的功能類似，其C_S具有吸收電能和電壓箝位雙重功能，且效率較高。

　　圖4(e)是三角形吸收電路，這里吸收電容C₁~C₃為三角形聯(lián)結(jié)，在T₁關(guān)斷時(shí)，并聯(lián)在T₁兩端的總吸收電容量C₃和C₂串聯(lián)再和C₁并聯(lián)后組成，即總電容量是        。這種電路的特點(diǎn)是：①3只電容器之間幾乎不需要連結(jié)線，所以寄生電感極小；②在電力電子器件工作過(guò)程中每只電容器都參予工作，電容器利用率高；③電路的損耗較小，日立公司曾在一定的條件下進(jìn)行試驗(yàn)比較，這種電路的損耗約為RCD電路損耗的40%，因此我國(guó)研制中的CTO交流傳動(dòng)電力機(jī)車逆變器也采用這種電路，其GTO的規(guī)格為3000A、4500V，吸收電容量為C₁=C₂=C₃=18μF。

　　緩沖電路引線中的雜散電感L’_S必須限制到最小，以防止電力電子器件在關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)電壓尖峰，并消除雜散電感與緩沖電路中C_S構(gòu)成諧振回路所產(chǎn)生的振蕩。圖5是以電感性負(fù)載中的GTO的緩沖電路為例，說(shuō)明雜散電感L’_S對(duì)關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電壓產(chǎn)生尖峰電壓U_P的影響。在陽(yáng)極電流迅速下降時(shí)，隨著C_S快速充電，L’_S上所產(chǎn)生的L’_Sdi_S/dt電勢(shì)加在GTO上；故L’_S越大，U_P越大，管耗P_off也越嚴(yán)重。此外，在感性負(fù)載下陽(yáng)極電流下降率di_A/dt與緩沖電路中的電流上升率di_S/dt相等，故負(fù)載電流越大，下降越快，L’_Sdi_S/d也越大，同樣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。所以緩沖電路中的R、C、D等元件也力求采用無(wú)感元件。