逆變器緩沖電路的設(shè)計方法

2021-07-30 02:38:24潘海毅

通信電源技術(shù) 2021年7期

潘海毅

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東廣州 510700）

0 引言

以IGBT和MOSFET為代表的壓控型開關(guān)器件一般封裝成半橋或全橋結(jié)構(gòu)的電力電子模塊，從而構(gòu)成了逆變器的基本核心單元。逆變器工作時，由于IGBT及反并聯(lián)二極管在開通過程中的續(xù)流導(dǎo)致產(chǎn)生較高的di/dt，從而引起電磁干擾甚至器件過流損壞等風(fēng)險，因此需要在其電路中串聯(lián)緩沖電感限制電流的快速變化。

為了保證器件的可靠工作，不同應(yīng)用領(lǐng)域的專家開展了大量研究工作，其研究目標都是通過設(shè)計緩沖電路的結(jié)構(gòu)、選擇合理的參數(shù)控制電流變化率實現(xiàn)抑制振蕩[1-3]。在具有上述功能的前提下，不同文獻提出了緩沖電路的不同設(shè)計方法，如文獻[4-6]給出了RLC串聯(lián)、驅(qū)動參數(shù)控制等方法。

緩沖電路各元件參數(shù)設(shè)計復(fù)雜度與抑制效果是關(guān)聯(lián)的。文獻[7,8]中以SiC MOSFET的緩沖電路為研究對象，器件開關(guān)速度更快，緩沖電路的設(shè)計更為困難和復(fù)雜。在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如文獻[9]在斷路器應(yīng)用中，緩沖電路的設(shè)計尤其重要。

本文以全橋結(jié)構(gòu)的模塊為對象，在分析逆變器工況時序過程的基礎(chǔ)上，總結(jié)了緩沖電路中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計方法，給出了通用的設(shè)計公式，為緩沖電路的設(shè)計提供了參考。

1 逆變器緩沖電路工作特性

以應(yīng)用最廣泛的IGBT為核心器件的全橋結(jié)構(gòu)逆變器為研究對象，如圖1所示。逆變器工作時，IGBT1和IGBT3為一組，IGBT2和IGBT4為一組，每組IGBT同時導(dǎo)通與關(guān)斷，兩組IGBT交替通斷，其波形相同。以IGBT1為例，在逆變器中工作時其電流和電壓波形如圖2所示。

圖1 全橋結(jié)構(gòu)的緩沖電路

在t0～t2階段，IGBT1和IGBT3開始導(dǎo)通，通過調(diào)整緩沖電感的大小，可以限制器件換流時電流的變化率，即di/dt的數(shù)值。在t3～t4階段，IGBT1和IGBT3進入關(guān)斷狀態(tài)，由于緩沖二極管和鉗位電容支路上雜散電感的存在，導(dǎo)致IGBT1出現(xiàn)了電壓過沖Vp1，其電壓過沖峰值由流過鉗位電容的電流變化率di/dt與雜散電感值決定。在t4～t5階段，IGBT1和IGBT3已經(jīng)關(guān)斷，流過緩沖電感的電流向鉗位電容充電中IGBT1兩端電壓出現(xiàn)第二個電壓過沖Vp2。在t5～t6階段，IGBT1和IGBT3繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)，鉗位電容放電，緩沖電感在電流減小到零后經(jīng)過二極管反向恢復(fù)，IGBT1的端電壓將會繼續(xù)減小到最小值然后慢慢恢復(fù)到穩(wěn)定值，重新回到t0之前階段。

2 緩沖電路中各元件參數(shù)的計算

2.1 緩沖電感L的設(shè)計

緩沖電感L的主要作用是限制開通電流上升率和關(guān)斷電流的下降率。它的取值與直流電壓VDC、IGBT額定di/dt以及并聯(lián)二極管的關(guān)斷di/dt的大小等相關(guān)。在器件開通時存在公式：

式中，VDC為母線電壓，L為緩沖電感，Ls為雜散電感。按照逆變器工作時的母線電壓和器件允許的最大電流變化率（di/dt）可以確定緩沖電感的取值。并且由于器件導(dǎo)通和阻斷時允許的電流變化率不同，因此可以得到緩沖電感的允許范圍為：

由于IGBT器件開關(guān)時的電流變化率較小，緩沖電感的數(shù)值會遠高于雜散電感，因此可以忽略雜散電感的影響。

2.2 鉗位電容C的計算

當器件關(guān)斷后，由于緩沖電感中所儲存的電能不能夠馬上釋放，因此鉗位電容和吸收電阻提供了能量釋放電路。

在IGBT開通后，由基爾霍夫定律和瞬態(tài)信號分析方法可得：

在電壓取極大值時，電容數(shù)值最小，因此電容的取值條件為：

該標準提出了智能門鎖的系統(tǒng)安全架構(gòu)、智能門鎖終端安全、智能鑰匙安全、云服務(wù)平臺安全、客戶端安全、通信安全、安全分級方法等，適用于智能門鎖設(shè)計、制造、管理以及應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)和運維。

式中，ΔUmax=u(t)max-UD

2.3 吸收電阻R的計算

鉗位電容通過吸收電阻放電的等效電路中，電感支路視為開路，母線電容一般較大，視為短路。吸收電阻和鉗位電容的數(shù)值相互制約，緩沖電路中吸收電阻的計算公式為：

對于k的數(shù)值，一些文獻采取規(guī)定數(shù)值的方式，通常為0.8，按照這一約定可以直接計算獲得吸收電路中各參數(shù)的數(shù)值，另外也可以按照約定放電時間的方式進行處理。由于鉗位電容C中的能量要在規(guī)定時間內(nèi)完成放電，所以時間常數(shù)τ要限值在一定的時間內(nèi)，由此可以得出k的計算為：

在確定放電時間后，依次可以計算得到鉗位電容和吸收電阻。

3 分析驗證

為了分析本文總結(jié)的吸收電路各參數(shù)取值方法的準確性，本節(jié)按照圖1建立了仿真電路，在改變吸收電路參數(shù)情況下進行了對比計算。

3.1 仿真電路參數(shù)設(shè)計

仿真電路中，母線電壓為2 000 V，最大電壓不超過2 500 V，因此電壓最大變化數(shù)值為500 V，最大輸出電流為2 000 A。IGBT及其反并聯(lián)二極管承受的最大 di/dt為 800 A/μs，阻斷時通常大于 200 A/μs。因此，由式（2）可以計算得到緩沖電感的范圍為2.5 μH≤L≤10 μH。

3.2 仿真電路控制方式

為了模擬實際逆變器工況，仿真分析時采用PWM脈寬調(diào)制策略，開關(guān)頻率為400 Hz，IGBT1和IGBT3控制信號相同，IGBT2和IGBT4控制信號相同，兩組控制信號為互補信號，切換時死區(qū)時間為80 μs[10]。

3.3 仿真結(jié)果分析

參考前文的分析，緩沖電路的作用是通過對IGBT器件開關(guān)過程中高頻振蕩的抑制，實現(xiàn)較低的關(guān)斷電壓和較小的電流過沖。

為了獲得緩沖電路對開關(guān)過程的影響程度，并且考慮到電壓和電流波形特征相同，因此本文定義了如圖3所示的開關(guān)過程波形參數(shù)。其中電流主要關(guān)注上升階段的電流變化率di/dt，電壓關(guān)注過充ΔU。

圖3 器件開關(guān)波形特征

本文應(yīng)用Saber軟件建立了逆變器的模型，計算了不同參數(shù)情況下的波形參數(shù)變化。鉗位電容為10 μF，吸收電阻為0.5 Ω時，緩沖電感參數(shù)對波形參數(shù)影響如表1所示；緩沖電感為6 μH，吸收電阻為0.5 Ω時，鉗位電容參數(shù)對波形參數(shù)影響如表2所示；緩沖電感為6 μH，鉗位電容為10 μF時，吸收電阻參數(shù)對波形參數(shù)影響如表3所示。