一种新型PWM逆变器吸收电路*

朱修敏，魏金成，魏　力，龙　勇，王　瑶，曹太强

（1.西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039；2.西南民族大学 电气信息工程学院，四川 成都 610041）



一种新型PWM逆变器吸收电路*

朱修敏1，魏金成1，魏力1，龙勇2，王瑶2，曹太强1

（1.西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039；2.西南民族大学 电气信息工程学院，四川 成都 610041）

针对传统开关管吸收电路（RCD）存在自身消耗能量大，造成开关管温升加快，使用寿命降低等问题，提出了一种新型无源无损软开关吸收电路 （Lossless Passive Soft-switching Snubber，LPSSS），解决了传统吸收电路自身的能量损耗，同时实现了能量回收。理论分析了逆变电路中IGBT关断过程中过电压产生的原因，以及RCD型吸收电路和新型LPSSS电路的工作原理。通过LPSSS吸收电路在逆变器中的分析可知LPSSS电路在IGBT关断过程中对浪涌电压dv/dt的有效抑制，同时最大程度地降低了吸收电路的能量损耗，实现了能量反馈，提高了能量转换效率。仿真分析表明，开关管的过电压降到了5.2%左右，验证了LPSSS电路的有效性和适用性。

吸收电路；PWM逆变器；SABER仿真

中文引用格式：朱修敏，魏金成，魏力，等.一种新型 PWM逆变器吸收电路［J］.电子技术应用，2016，42（7）：138-141，145.

英文引用格式：Zhu Xiumin，Wei Jincheng，Wei Li，et al.A new snubber circuit based on PWM inverter［J］.Application of Electronic Technique，2016，42（7）：138-141，145.

0　引言

为了确保功率开关管安全可靠的工作，功率开关管必须工作在安全工作区。但在硬开关条件下，功率开关管在开通和关断过程中可能承受过压、过流。过大的 di/dt 和 dv/dt的冲击，使开关管发热，如不采取保护措施，可能使功率开关管超出安全工作区而损坏。为此，在功率开关管电路中，通常设置吸收电路或采用软开关技术，防止瞬时过压、过流，减小开关损耗，确保开关管工作在安全工作区。

逆变器常用的吸收电路有无源并联RC电路、并联RCD吸收电路和有源吸收电路。有源吸收电路在电路结构、控制方法上都比较复杂，成本也比较高，因此，无源吸收电路比有源吸收电路在工程上有着更为广泛的应用。逆变器常用的无源吸收电路有 A型、B型、C型三种［1］。这三种电路均能够抑制开关在关断时产生的过电压，其共同特点是吸收电容Cs上的电压等于电源电压，电容电压过冲部分的能量一部分回馈电源，另一部分消耗在电阻Rs上。其中B型和C型吸收电路又称为RCD吸收电路［2］，这两种吸收电路原理相似，拓扑结构简单，已经得到广泛的应用。虽然RCD吸收电路可以改善开关器件的关断特性，但降低了电路的变换效率，并且在大功率场合，需要大功率的电阻，而消耗掉大量能量，甚至改变了设备的工作环境。为了克服这些缺陷，近年来提出了无源无损软开关吸收电路（LPSSS）。

LPSSS电路是软开关技术的一种，它通过在主电路中附加电容、电感及二极管等无源器件，在主开关换流时建立零电压、零电流开关条件。由于吸收电路上的储能可全部传递给负载，因此从理论上讲，吸收电路是近似无损的，这有利于提高变换器的效率。无源无损吸收电路的另一个突出优点是无需额外的控制，因此不会增加控制电路的复杂度，不影响变流器控制电路的设计。因此，为了简化电路，提高变换效率，有必要研究LPSSS电路，已有文献［3-9］对LPSSS电路作了大量的研究，但是这些LPSSS电路仍然具有一定的缺陷。文献［7］提出的LPSSS电路结构简单，能有效降低损耗，但是仅适用于开关频率较低的电路。文献［3-7］提出的LPSSS电路，通过变压器或耦合电感将吸收电容中的能量反馈到电源端或负载，既降低了开关开通关断过程中的损耗，也提高了能量的利用率，但是电路结构较为复杂，成本较高，并且变压器和耦合电感的漏感问题还有待于研究。

为此，笔者在Boost和半桥逆变器的LPSSS电路［9-10］的基础上，提出了一种新型PWM逆变器LPSSS电路，电路的拓扑结构简单，适用于单相和三相全桥电路，最终通过仿真验证了该吸收电路可靠性和适用性。

1　逆变器损耗分析

逆变器是否能正常工作，应当满足下述条件：正常情况工作时，器件的开关轨迹应在器件的安全工作区以内，并应有足够的裕量；在PWM方式下工作时，器件的总损耗应小于其允许的耗散功率，并应有足够的裕量。

在IGBT关断过程中，因为主回路杂散电感Lp的存在，会使 IGBT的集电极出现电压峰值 Ucep。这一情况在短路关断时表现得最为严重，必须将 Ucep限制在安全工作区之内。

图1［10］所示为IGBT关断时的电压电流波形，以及功率开关的功率损耗。其中，ttail为尾部电流，itail为下降时间，tf和 tdoff分别为关断下降时间和关断延迟时间。每个脉冲IGBT的关断损耗可近似为：

若减小关断时的 Uc上升速度，可减小 EI（soff）。关断过程中Ic的下降速度主要取决于器件的总充电荷和少子寿命［11］。

图1　关断损耗波形

2　逆变器RCD吸收电路原理分析

以图2（a）为例，可将RCD吸收电路的工作过程划分为3个阶段：（1）换流阶段。从开关接受关断信号到完全截止。此阶段，流过主回路的寄生电感Lp的母线电流经过开关管VT和吸收电路两条支路分流。在此过程中出现第一个尖峰电压 ΔV1。ΔV1与母线电流IL、吸收电路寄生电感Ls、关断电流的di/dt有关。（2）谐振放能阶段。换流阶段结束后，开关完全截止。主回路寄生电感Lp与吸收电容Cs谐振，Lp中的能量通过Cs谐振，Lp中的能量通过Cs释放。在此过程中出现第二个ΔV2，此尖峰与母线电流 IL，主回路寄生电感 Lp、吸收电容 Cs、吸收电路寄生电感Ls有关。（3）吸收电容Cs放电阶段。谐振放能阶段结束后，电容Cs通过电阻 Rs、电源和负载放电。

图2　RCD型吸收电路

RCD吸收电路的特点是每次关断之前把C1中储存的能量通过电阻R2回馈到主回路中去，使C1的电压保持在电源电压上。同时，吸收电阻R2能消除C1放电造成的电流振荡，使IGBT开关时处于比较平稳的状态。这种电路的缺点在于当功率进一步增大时，回路寄生电感会变得很大，导致不能有效地抑制瞬变电压。同时吸收电阻Rs的存在会影响吸收电容Cs的放电时间，随着开关频率的增加，电阻Rs的温度升高会改变设备的工作环境。

吸收电路参数计算［12］：

式中，IL为母线电流，L=Lp+Ls，fs和 tr分别为开关频率和开通电流上升时间。过电压保护度Δu%一般设定为15%。

3　新型逆变器LPSSS电路的原理分析和仿真

图3（a）所示为PWM逆变器LPSSS电路。该拓扑电路图中每一组桥臂有两个IGBT开关VT1和 VT2组成和与开关反并联的二极管 D1、D2。吸收电容 Cs1和 Cs2分别并联在VT1和VT2上，减小了dv/dt，实现了开关ZVS关断。

图3（b）所示为 VT1开通或 VT2关断时的电压波形。假设t0时刻VT1开通，吸收电容CS1通过二极管DS1充电，CS2通过 Cb1和 DS2放电。因此，在此过程中吸收电容 CS1的电压 VCS1上升，CS2的电压 VCs2下降，VCb在 CS2放电结束时，电压达到最大值，随后放电至 Vdc，并最终保持恒定。

3.1LPSSS电路的工作原理

为了简化分析，以一组桥臂为例。该吸收电路每一个开关 VT1和 VT2都分别并联吸收电容 Cs1、Ds1和 Cs2、Ds2，能够有效减小dv/dt，实现了开关ZVS关断。吸收电容中的能量储存在电容Cb中，最终通过 Cb和电感 Lr1谐振将能量回馈到电源端。在一个开关周期内，A相负荷电流假设恒定不变。如图4所示，吸收电路的工作模态如下：

图3　逆变器LPSSS电路

图4　工作状态等效电路图

模态 1，t＜t0：VT1处于导通状态，负荷电流 iload保持恒定且 iVT1=iload，吸收电容 Cs1上的电压为零。

模态 2，t0＜t＜t1：t0时刻，VT1关断而 VT2导通，iVT1迅速下降至零。由于负荷电流不能突变，此时二极管 Ds1导通，电容 Cs1和 Cb通过 Ds1充电，Cs2进行放电。

模态 3，t1＜t＜t2：t1时刻，电容 Cs1充电至 VCs1=Vdc，电容Cs2放电至 0。

模态4，t2＜t＜t3：寄生电感Lp（Lp1=Lp2）上的能量转移到电容 Cb1上。在此模态中，VCb＞Ud，能量回馈电路开始工作，将吸收的能量回馈到电源侧。二极管D2处于导通状态，提供负荷电流 iload。

模态 5，t3＜t＜t4：t3时刻，VT2关断而 VT1导通，iLp开始增加，由于负荷电流保持恒定，所以D2仍然处于导通状态，且提供一部分负荷电流。

模态 6，t4＜t＜t5：iLp继续增加，吸收电容 Cs2通过 Lp-Cs2-Ds2路径充电。Cs1开始把储存的能量转移到 Cb1上。能量最终通过谐振电感 Lr1和二极管 Dr1和 Dr2反馈到直流电源Vdc。在此模态的末端，Cs1放电至零，Cs2充电至Vdc。

3.2仿真分析

合理的设计和选择吸收电路的元件参数对于LPSSS电路的吸收效果是至关重要的。dv/dt和di/dt取决于吸收电容 Cs，寄生电感 Lp和负荷电流 Iload的大小。当寄生电感 Lp和吸收电容 Cs发生谐振时，如模态2所示，dv/dt达到最大值，VCs1可表示为：VCb1为电容 Cb1的电压，稳态时等于直流电源电压 Vdc。 VCs1（0）是吸收电容 Cs1的初始电压；Iload是通过寄生电感Lp的初始电流；是谐振频率。

如果适当地设计吸收电容的参数，则由初始电流引起的dv/dt将会得到控制。当ωt=π/2时，即负荷电流为零时，dv/dt达到最大值。即最大的 dv/dt由 Ls和Cs的谐振频率决定。即：

最大的di/dt可以表示为：

因此，吸收电容Cs和寄生电感Lp和能够有效限制dv/dt和di/dt。通过dv/dt和di/dt的值，可以确定吸收电容和寄生电感的值。寄生电感通常按 10 cm取 0.1 μF。能量回收电路吸收的能量可近似为：

负荷电流对吸收电容的初始电压和寄生电感的初始电流都有直接的影响。通过式（5）可得：Iload为 A相负荷电流，fsw为开关频率。

在实际工程应用中，由于寄生电感难以准确地估算，所以需要经过多次测试来确定。Saber仿真时，直流侧输入电压Ud=330 V，开关频率为 fsw=10 kHz。Lr=1 μF，寄生电感 Lp1=Lp2=200 nF，CS1=CS2=0.1 μH，Cb=1 μH。

图5所示为硬开关电路时VT1关断时的电压波形（b）和负荷电流波形（a）。开关关断时，由于线路寄生电感Lp的存在，使得开关在关断时会产生一个很高的尖峰电压，并且随着负荷电流的增加，尖峰电压会增大，最大尖峰电压 Ucep能够达到 522 V，Δu=58.2%，超过了限定值15%。此外，在吸收电容放电时会产生一个由二极管的反向恢复特性引起的电压振荡。同时，关断电压上升速度过快，也会产生极大的关断损耗。

图5　硬开关电路仿真波形

图6所示为PWM全桥逆变器加入无损吸收电路后VT1关断时的电压波形。关断电压的峰值 Ucep=349 V，Δu=5.8%，有效地限制在了15%以内。并且，吸收电路有效抑制了dv/dt，减小了开关关断时的电压振荡实，现了零电压关断，同时也有效地降低了开关关断时的损耗。

图6　LPSSS电路VT1的关断电压波形

图7所示为电容Cb的电压和二极管Ds1电流波形。电容 Cb的电压uCb维持在 330 V左右，且图中A部分说明了电容电压 uCb和二极管电流 iDr1在开关 VT1关断时过电压产生的波动，B部分说明了开关VT1导通时吸收电容 CS1放电引起的波动。

5　总结

本文在传统的RCD吸收电路的基础上，提出一种新型PWM逆变器LPSSS电路，并通过仿真验证了该电路的可行性。该吸收电路设计简单，既能降低开关关断时产生的尖峰电压，同时也能将吸收电容的能量转移到电源，提高了能量的转移效率，降低了电路对环境的要求。该LPSSS吸收电路适用于所有开关电源的上下桥臂开关管中，同时还能应用于单相或三相全桥电路，且不会增加输出电压电流的谐波含量，具有良好的工程实用性。

图7　电容Cb的电压和二极管Ds1电流波形

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A new snubber circuit based on PWM inverter

Zhu Xiumin1，Wei Jincheng1，Wei Li1，Long Yong2，Wang Yao2，Cao Taiqiang2
（1.School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Electrical and Information Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，China）

The traditional snubber circuit（RCD）consume energy，raising the temperature reducing the life of the switch.This paper presents a new lossless passive sunbber regenerative to achive soft-switching purpose，the energy consumption is solved and energy recovery is achieved.Based on theoretical analysis of the causes of overvoltage when IGBT shut off，and the working principle of RCD and LPSSS，LPSSS circuit provide dv/dt and low switching stresses，energy feedback is achieved and and improve the energy utilization.The simulation show that this method reduce the overvoltage of IGBT to 5.2%，and the feasibility and validity are verified. Key words：snubber circuits；PWM inverter；SABER simulation

TN709；TM46

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.035

西华大学研究生创新基金资助（ycjj2016054）

2016-01-01）

朱修敏（1990-），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子控制技术，E-mail：18328074664@163.com。

魏金成（1966-），男，硕士，副教授，主要研究方向：电力电子装置与系统、智能控制与优化、信号处理及保密通信。

魏力（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子控制技术。