基于Saber的IGBT逆變橋無損緩沖電路的仿真分析

楊淼

【摘要】 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）緩沖電路對抑制IGBT開關過程中產生的尖峰電壓具有重要作用。本文通過分析無損緩沖電路的原理及特點，結合原有RCD緩沖電路，探索研究了一種新的適用于IGBT逆變橋的無損緩沖電路，并采用Saber軟件對兩種電路進行了仿真分析，對比比較了兩種緩沖吸收電路的優缺點。仿真結果驗證了新無損緩沖電路抑制IGBT關斷過電壓的可靠性。

【關鍵詞】 Saber IGBT逆變橋 緩沖電路 RCD

一、引言

IGBT作為電力電子變換技術的重要器件，其工作頻率經常高達20kHz～50kHz，即使大容量應用一般也在5kHz，因此很小的電路電感就可能引起很大的Ldi/dt，從而產生過電壓危及IGBT的安全，故IGBT緩沖電路的功能在于對開關過程中過電壓的吸收和抑制[1]。傳統RCD緩沖電路中，由于使用電阻來為緩沖電容提供放電通路，消耗了部分能量，降低了電路的效率，且發熱量大，因此研究一個實用的適用于橋式逆變器的無損緩沖電路對于電力電子技術的發展和我國各行各業的生產、節能、環保等方面都很有意義[2]。

二、無損緩沖電路的原理及設計

一般無源無損緩沖電路有以下兩個共同點：1、需要有緩沖吸收元件，用來控制開關器件的瞬變電流和瞬變電壓，實現開關的零電流開通和零電壓關斷，故一般都串聯一個開通緩沖電感和并聯一個關斷緩沖電容。2、需要有緩沖吸收元件無損釋放所吸收能量的輔助電路，或是轉移其吸收能量的其他儲能元件及其無損回饋電能的輔助電路[3，4]。

圖1 傳統鉗位式RCD緩沖電路 圖2 鉗位式無損緩沖電路

圖1是傳統鉗位式RCD緩沖電路。該電路將電容上過沖能量部分送回電源，因此損耗較小，被認為是適合大功率IGBT的緩沖電路[5，6]。

一般無損吸收電容能量的恢復大多需要電感作為能量轉移的中間環節，結合圖1 RCD 緩沖電路中電容能量的轉移路徑，本文考慮用電感元件替代RCD電路中的電阻元件，并且為了避免振蕩，串聯一個導流二極管。

又考慮到在上述緩沖電路工作的過程中，當IGBT開通時，對管緩沖電容充電和對管放電電感的影響，增加了開通緩沖電感，布置位置按照電路的要求串聯在兩個開關之間的主電路中[3]。

鉗位式無源無損緩沖電路如圖2所示。此緩沖電路的特點在于緩沖電容與輔助放電電感及導流二極管串聯，交叉接至直流電源，可以看出，C1和C2的電壓將不低于電源電壓。緩沖電容吸收的能量通過一個小電感釋放，既限制了放電沖擊，又不消耗能量，而且，小電感中的能量有多個路徑可以返回到電源和負載。

分5個階段對此緩沖電路進行理論分析：

1）igbt_b1穩態導通，igbt_b2關斷，igbt_b1兩端電壓為零，igbt_b1的電流等于負載電流，D3、D4截止。2） igbt_b1關斷，igbt_b1電流拖尾下降，感性負載電流由C1、D3回路和igbt_b2的反并二極管D2續流，igbt_b1兩端由引線電感及開通緩沖電感 I1引起的關斷過電壓由C1吸收鉗制，C1的電壓上升。igbt_b1電壓在關斷瞬時，由于D3導通，UC1等于電源電壓Ud，然后隨著C1的電壓上升，D3截止，igbt_b1電壓下降直至等于igbt_b2電壓，等于Ud/2。而當C1的電壓大于Ud后，開始經由電感I4向電源返回能量，I4電流逐漸上升。在D3導通時，I4電流還可以經由 D3向負載返回能量。3）igbt_b2開通，igbt_b1電壓又等于 Ud，負載電流以與前半周期相反方向經igbt_b2流通，C1的電壓逐漸降回Ud。igbt_b2開通瞬間，電源經 C1、D3、I1、I2和igbt_b2向 C1充電，I4電流由 D3、I1和igbt_b2流通，igbt_b2穩態導通后，I4剩余能量主要由 C1返回電源和經igbt_b2向負載返回能量。4）igbt_b2關斷，過渡過程與igbt_b1關斷相似，igbt_b2相應電量的變化與igbt_b1對偶。相似地，igbt_b1兩端電壓瞬時降為零，又上升至 Ud/2。5）igbt_b1又開通，igbt_b1電壓降為零，igbt_b1電流在引線電感、緩沖電感以及感性負載作用下逐漸上升，然后igbt_b1進入穩態導通。

三、Saber仿真軟件介紹

Saber是美國Analogy公司開發并于1987年推出的模擬及混合信號仿真軟件。Saber可同時對模擬信號、數字信號以及模數混合信號器件進行仿真。適用包括電子學、電力電子學、電機工程、機械工程、電光學、光學、水利、控制系統以及數據采樣系統等等[7-10]。（表1 ）

表1 Saber仿真軟件概要應用領域 優勢 特點

電源變換器設計 用來設計各種電源設備，如DC/DC、AC/AC、DC/AC、AC/AC 支持自頂向下系統設計和由底向上具體設計驗證，概念設計支持模塊化方框圖設計，詳細設計可用元器件組成系統 集成度高

完整的圖形查看功能

模塊化和層次化

模擬行為模型

強大的收斂性分析

高仿真精度

模型與仿真器分離

支持通用CAE系統

支持全線的分析功能

輸出結果的查看

Saber協同仿真

TOP-DOWN設計 Calaveras算法快速仿真

模擬/數字邊界的接口

INSPECS的超級分析能力

伺服系統設計 通過Saber自帶的電機、機械及液壓模型形成回路，建立電流環、速度環、位置環等多伺服控 制系統 提供一個功能強大的混合信號仿真器，通過單一的混合信號仿真內核就可以提供精確有效的仿真結果

電路仿真 模電、數電及數模混合電路前期原理驗證，根據系統響應進行設計優化 Calaveras算法可以使模擬和數字兩種算法得到最大效率的運行

供配電設計 主要針對大系統如飛機供配電系統、衛星供配電系統 采用5種不同的算法依次對系統進行仿真，其中一種算法失敗，自動采用下一種算法

總線仿真 對系統傳輸網絡的底層收發器、ECU等器件建模 可以在各種EDA設計環境中運行，采用通用建模語言

四、仿真分析

4.1 傳統RCD仿真電路與結果分析

圖3是由傳統RCD緩沖電路構建的H橋逆變電路，圖4是逆變橋緩沖電路的仿真結果。IGBT關斷時，吸收電容C1兩端電壓升高，隨后震蕩衰減，最終電壓穩定在電源電壓。IGBT開通時，流過吸收電阻的電流尖峰大，下降快，流過能量返回電路電阻的電流上升快，隨后逐步衰減。由輸出電阻R兩端電壓波形可以看到，開關管開通或關斷時，電壓呈緩慢上升或下降的趨勢，RCD緩沖電路對抑制開關電壓尖峰起到了較好的效果。

4.2無損緩沖電路仿真結果分析

本文采用Saber電路仿真軟件作了IGBT逆變橋無損緩沖電路的仿真分析，仿真元件均選自Saber軟件內部的仿真元件庫。其中IGBT驅動為正電壓15V占空比為40%的方波信號，吸收電容C1、C2、C3、C4均為2uF，緩沖電感L1、L2、L6、L7均為10uH，能量轉移電感L3、L4、L8、L9均為20uH。

圖6是開關管IGBT1及其相對應的緩沖電路元件的電壓電流仿真波形，從圖中可以清晰地看到電路各元件的工作狀態變化。

其中L1為電流通過IGBT1后的緩沖電感， IGBT1導通時，通過電感L1的電流緩慢上升， IGBT1關斷時，通過電感的電流緩慢下降，達到電流緩沖的要求。V（IGBT1）為IGBT1工作時源極與漏極之間的電壓，當V（IGBT1）電壓為300V時IGBT1處于關斷狀態，緩沖電路開始工作，二極管D3導通，緩沖電容C1的電壓上升，然后輔助電感回路放電，能量返回至電源，C1的電壓隨之下降，直至電流為零。下一個周期關斷時再次重復這一過程。在開關導通過程中，關斷緩沖電路不參與電路工作，不影響電路正常工作特性。圖6中V（R）為輸出負載電阻R兩端電壓，可以看到在開關開通和關斷時，電流上升和下降緩慢，沒有尖峰電壓對開關管的沖擊。

五、結束語

本文提出的IGBT逆變橋無損緩沖電路在使IGBT正常工作的同時，可靠抑制了IGBT關斷時的過電壓，并且IGBT工作狀態轉換的過程沒有改變。與傳統RCD相比，吸收緩沖效果更佳，且沒有增加附帶能量損耗，達到了理想的工作效果，本文設計緩沖電路較為實用。