基于Simulink的IGBT緩沖電路的仿真研究

藺滿強 ，陳改霞

（1.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741020；2.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅 天水 741020）

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是Insulated Gate Bipolar transistor的縮寫，是MOSFET和電力晶體管組合而成的新型復合器件，是具有驅動功率小、輸入阻抗高、開關速率高、飽和壓降低的電壓型全控器件。IGBT是逆變器的主要功率器件，工作時共有開通、關斷、通態、斷態4種狀態。在實際應用中，IGBT在通態時流過集電極的電流很大，但管壓降很小，一般為2V左右；在斷態時IGBT的集電極和發射極之間承受較大的電壓，但漏電流很小；IGBT在開通和關斷過程中，由于電路雜散電容和雜散電感的影響，IGBT可能同時承受過電壓、過電流以及較大的du/dt、di/dt，對此需要采用緩沖電路對其進行抑制，以防止損壞器件。

1 逆變器中IGBT浪涌電壓的成因及緩沖電路的種類

1.1 浪涌電壓的形成原因及危害

如圖1所示為IGBT關斷時的集電極電流Ic和集電極與發射極之間電壓Uce的動作波形，當IGBT由通態迅速關斷時，集電極電流Ic也迅速降為零（忽略漏電流），因而電路產生很大的電流變化率-di/dt，這使得其在主回路的雜散電感上產生很大的尖峰電壓-Ldi/dt，直流電源電壓和這個尖峰電壓疊加后形成電壓Ucesp，Ucesp加在關斷的IGBT的集電極與發射極之間。如果Ucesp很大，Ucesp將會超出IGBT的反向安全工作電壓，從而擊穿IGBT。除此之外，電壓變化率du/dt太大時也可能使IGBT誤導通，從而損壞IGBT。

圖1 關斷時的動作波形圖

1.2 緩沖電路的種類

抑制IGBT關斷時的浪涌電壓最有效的方法是在IGBT的C-E之間加緩沖電路，即吸收電路。緩沖電路在功率開關器件的保護應用中起著重要作用，主要用來抑制功率器件的過電壓和du/dt或過電流和di/dt，減小器件的開關損耗，提高系統的可靠性。通常分為開通緩沖電路（di/dt抑制電路）和關斷緩沖電路（du/dt抑制電路），本文主要介紹常用的關斷緩沖電路。常用的緩沖電路有C型緩沖電路、RC型緩沖電路、RCD充放電型緩沖電路和RCD限幅鉗位型緩沖電路。

①如圖2所示為C型緩沖電路，吸收電容并聯在橋臂的正負之間，對瞬態電壓的抑制非常有效。但這種緩沖電路在大功率設備的應用中，吸收電容會與直流母線的雜散電感容易產生振蕩，從而引起IGBT集電極電流上升，通常用在中等容量的裝置中。

圖2 C型緩沖電路

②如圖3所示為RC型緩沖電路，其中吸收電容越大，吸收的尖峰能量就越多，放電電阻越小，吸收電容放電越快，緩沖效果就越好。當IGBT關斷時，雜散電感產生的尖峰電壓被電容吸收，當IGBT開通時，電容通過電阻開始放電，最終電容吸收的能量在電阻上以熱能的形式消耗掉，因此，電阻的功率比較大。與C型緩沖電路相比，RC型緩沖電路能夠有效抑制振蕩的發生。常用在小容量、低頻率的裝置中。

圖3 RC型緩沖電路

③如圖4所示為RCD型緩沖電路，緩沖電路直接并在橋臂的正負極，電路中二極管為快恢復二極管，可以鉗位瞬變電壓，從而可抑制電路發生振蕩。設計電路時，為了保證吸收電容上的尖峰電壓能夠在每一個開關周期通過電阻及時消耗掉，一般RC時間常數按開關周期的1/3設計，通常用于大容量逆變器。

圖4 RCD型緩沖電路

④如圖5所示為RCD充放電型緩沖電路，與RC型緩沖電路相比，緩沖電路并聯在IGBT的C-E兩端，可以有效地抑制IGBT集電極與發射極之間的過電壓。緩沖電路的損耗比較小，且不會使IGBT集電極電流上升，但吸收回路有較大的寄生電感，通常用于中等容量和較高頻率的裝置。

圖5 RCD充放電型緩沖電路

⑤如圖6所示為RCD限幅鉗位型緩沖電路，也稱為交叉鉗位電路，緩沖電路的損耗比較小，通過二極管的有效鉗位，可以抑制IGBT關斷時回路中雜散電感產生的浪涌電壓，通常作為單獨緩沖電路使用，常用于大功率開關器件的保護以及大功率高頻設備。

圖6 RCD鉗位型緩沖電路

2 雜散電感的測量與計算

在逆變器IGBT的緩沖電路設計時，首先需要確定電路雜散電感的參數。雜散電感根據電路的布局而定，不容易計算，通常采用測量的方法來確定電路中雜散電感的值。在不加任何緩沖電路的情況下，用示波器觀察IGBT關斷時的振蕩周期T1，然后，在IGBT的CE之間并聯一個電容C，容值為Ctest，再用示波器記錄IGBT關斷時的振蕩周期T2，則雜散電感為：

雜散電容為：

其中fi為無緩沖電路關斷IGBT時的振蕩頻率。

3 RCD限幅鉗位型緩沖電路原理與計算

如圖7所示為逆變器一個橋臂，圖中的IGBT1和IGBT2分別加了RCD限幅鉗位型緩沖電路，圖8為IGBT1工作時簡化的等效電路，現只針對IGBT1工作時結合圖7和圖8具體地分析RCD限幅鉗位型緩沖電路的工作原理，IGBT2只需二極管D2續流即可。

圖7 RCD鉗位型緩沖電路圖

圖8 簡化的RCD鉗位型緩沖電路

圖中Lm為直流母線分布總電感（Lm=L1+L2），Ls1、Ls2為RCD緩沖電路布線電感，Cs1、Cs2為緩沖電路吸收電容，VDs1、VDs2為緩沖電路二極管，Rs1、Rs2為緩沖電路電阻，Io為IGBT關斷前集電極輸出電流，Uce為Cs1上充電尖峰電壓，Ed為直流電源電壓。

3.1 RCD鉗位型緩沖電路結構及工作原理

如圖7所示，假設當前電路工作狀態為IGBT1開通，IGBT2關斷，此時電源Ed的正極經電感Lm、IGBT1、二極管VDs2對電容Cs2充電，電容Cs2上電壓最終為Ed，從而，流過IGBT1的電流可以分為兩部分，一部分為電容Cs2的充電電流，而另一部分為流過負載的電流（如圖8所示），與此同時，電容Cs1處于放電狀態，隨著放電的進行，電容Cs1的電壓逐漸低于電源電壓Ed。當IGBT1的驅動信號由高電平變為低電平，IGBT2的驅動信號由低電平變為高電平后，IGBT1開始關斷，IGBT2開始導通，由于IGBT1和IGBT2的驅動信號設有死區時間，在IGBT1關斷時，IGBT2不是立刻導通，為了使負載電流連續，IGBT2上反并聯的續留二極管D2導通。如圖8所示，二極管D2導通后，緩沖二極管VDs1的陰極幾乎被鉗制在電源Ed負極電位上（忽略續流二極管D2的壓降），由于電容Cs1兩端電壓不會發生突變，使得二極管VDs1的陽極電位高于陰極，此時二極管VDs1處于正向偏置而導通。與此同時，由于分布電感Lm的電流不能突變，因而電感Lm通過電感Ls1仍然以維持電流Io不變的趨勢向電容Cs1充電，這使得電流Io在電感Ls1上產生一個左正右負的反電動勢-Ls1dIo/dt。如圖9a所示，由于二極管的正向過渡特性，二極管VDs1在導通時產生較大的正向瞬時電壓Ufp（ds）。綜上所述，IGBT1關斷時加在C、E兩端的電壓是Ls1、Cs1、VDs1的支路電壓總和，即：

圖9 緩沖工作波形

如圖9a所示，二極管VDs1正向過渡特性隨著電容Cs1充電過程的進行很快結束，其正向壓降逐步降到零（忽略管壓降）。如圖9b所示，Uce因二極管VDs1壓降的減小而從Ucesp逐漸減小，由于電容Cs1的電壓隨著充電的進行而升高，使得IGBT集電極與發射極兩端的電壓也逐步升高，Uce從Ucesp降低后又逐漸回升到了Ucep。

當電容Cs1充電過程停止時，電容Cs1通過（Ls1+Lm）、Ed、VDs1、D2構成的LC回路開始放電。使電感Ls1上產生的反電動勢改變方向（左負右正），這使得電壓Uce產生了一個-Ls1dIds/dt的負電壓，從而二極管VDs1上開始出現反向恢復電流。由于二極管VDs1的反向電流Ids達到最大后又開始減小，使得Ls1上又產生一個反電動勢（左正右負），從而電壓Uce又出現了一個上跳。當二極管VDs1的反向電流Ids減為零后，二極管VDs1關斷，即Ids=0，此時-（Ls1+Lm）dIds/dt=0，二極管VDs1承受反向電壓Uds1，Uds1=Ucep-Ed=△Uce。

上式中，Idsr為二極管VDs1的反向恢復電流，△Uce是分布電感Lm向電容Cs1充電時在電感Ls1上產生的高出直流電壓Ed的電壓，是加在二極管VDs1兩端的反向偏壓。

3.2 緩沖電路器件參數的計算

根據以上緩沖電路的工作原理可知，主回路的布線電感Lm是產生過電壓的根本原因，工作期間電感Lm存儲的能量為

電容Ccs1需要吸收的能量為

令式（6）等于（7），得

為了確保電容Ccs1能夠完全吸收Lm中的能量，電容Ccs1的值應取

為了讓緩沖電路能夠有效地抑制尖峰電壓，要求吸收電容90%的能量在IGBT1關斷時能夠放掉，緩沖電阻Rs1的值可由式（10）計算得到。當緩沖電阻的阻值過小時，一方面電阻的功率變大，體積相應變大，不好安裝；另一方面可能使緩沖電路發生振蕩，從而增加IGBT1導通時的集電極電流，因而電阻取值不宜太小。

緩沖電阻產生的損耗P（RS），可由下式確定：

式（11）系數10是電阻瓦特數的裕度系數，以防溫升過高，f為開關頻率。

綜上所述，在RCD限幅鉗位型緩沖電路設計時，緩沖電阻應盡可能的選取無感電阻，緩沖電容應盡量選取內阻小的無感電容，為了降低二極管的功耗，防止IGBT的C-E之間的電壓振蕩，緩沖二極管應選取反向恢復時間短、導通時正向過渡電壓低、反向恢復特性軟的快恢復二極管。在RCD電路安裝時，應使RCD電路盡可能地靠近IGBT，接線時，連接線要盡可能短，以減小分布電感。

4 RCD限幅鉗位型緩沖電路在Simulink中仿真

根據以上分析結果，利用Simulink對圖8所示的RCD鉗位型緩沖電路進行仿真，電路參數母線電壓Udc=1000V，Lm=500nH,尖峰電壓取10%，即△Uce=100V，峰值電流Io=1000A,開關頻率f=10kHz，由（4）和（9）計算可得Cs1=2.38uf，取值為Cs1=2.5uf，（11）式得Rs=17.3Ω，取值為15Ω。MATLAB工具箱中二極管的仿真模型不對二極管開通、關斷過程進行仿真，在仿真時，不考慮二極管導通時的正向過渡特性和關斷時的反向恢復特性。

圖10 基于Simulink的RCD仿真電路

圖11、12中Pulse為IGBT的驅動脈沖，Ids1為二極管VDs1的電流，Uds1為二極管VDs1兩端的電壓，Uce為IGBT的C-E電壓。

圖11 無緩沖電路時IGBT關斷的仿真波形

如圖11所示，在IGBT的C、E極之間不加緩沖電路時，在IGBT關斷時，IGBT兩端的Uce出現很高的-Ldi/dt，達到1500V，超出母線電壓500V。

圖12為在IGBT的C、E極之間加RCD限幅鉗位型緩沖電路的仿真波形，在IGBT關斷時，分布電感Lm為了維持電流不變，開始向吸收電容Cs1充電，二極管VDs1的電流由小增大，在Lm上產生-LmdIo/dt反電動勢（左正右負），充電結束后，Cs1經Lm、Ed、D2、VDs1構成的LC電路開始放電，Lm上反電動勢改變方向（左負右正），二極管VDs1的電流隨著放電的進行而逐漸減小，如圖12的曲線Ids1所示；二極管VDs1進入關斷狀態后，VDs1上承受反向電壓，Uce在IGBT關斷瞬間電壓接近1100V,在設計范圍之內，表明RCD限幅鉗位型緩沖電路有效地抑制了IGBT關斷時的尖峰電壓。

圖12 RCD緩沖電路仿真波形

5 結論

本文首先對五種常見的緩沖電路的特點及使用范圍進行了比較，然后對RCD限幅鉗位型緩沖電路的工作原理作了詳細地分析，給出了電路雜散電感的測量方法，結合RCD限幅鉗位型緩沖電路的工作原理列出了元器件參數的計算公式，并通過Simulink仿真對RCD限幅鉗位型緩沖電路的工作原理進行進一步的研究和驗證，得出RCD限幅鉗位型緩沖電路在大功率逆變器中對功率器件IGBT在開關過程中產生的浪涌電壓可以進行有效地抑制，從而保護IGBT工作在安全區。