逆变器缓冲电路的设计方法

潘海毅

（广东电网有限责任公司 广州供电局，广东 广州 510700）

0 引 言

以IGBT和MOSFET为代表的压控型开关器件一般封装成半桥或全桥结构的电力电子模块，从而构成了逆变器的基本核心单元。逆变器工作时，由于IGBT及反并联二极管在开通过程中的续流导致产生较高的di/dt，从而引起电磁干扰甚至器件过流损坏等风险，因此需要在其电路中串联缓冲电感限制电流的快速变化。

为了保证器件的可靠工作，不同应用领域的专家开展了大量研究工作，其研究目标都是通过设计缓冲电路的结构、选择合理的参数控制电流变化率实现抑制振荡[1-3]。在具有上述功能的前提下，不同文献提出了缓冲电路的不同设计方法，如文献[4-6]给出了RLC串联、驱动参数控制等方法。

缓冲电路各元件参数设计复杂度与抑制效果是关联的。文献[7,8]中以SiC MOSFET的缓冲电路为研究对象，器件开关速度更快，缓冲电路的设计更为困难和复杂。在一些特殊应用领域，如文献[9]在断路器应用中，缓冲电路的设计尤其重要。

本文以全桥结构的模块为对象，在分析逆变器工况时序过程的基础上，总结了缓冲电路中关键参数的设计方法，给出了通用的设计公式，为缓冲电路的设计提供了参考。

1 逆变器缓冲电路工作特性

以应用最广泛的IGBT为核心器件的全桥结构逆变器为研究对象，如图1所示。逆变器工作时，IGBT1和IGBT3为一组，IGBT2和IGBT4为一组，每组IGBT同时导通与关断，两组IGBT交替通断，其波形相同。以IGBT1为例，在逆变器中工作时其电流和电压波形如图2所示。

图1 全桥结构的缓冲电路

在t0～t2阶段，IGBT1和IGBT3开始导通，通过调整缓冲电感的大小，可以限制器件换流时电流的变化率，即di/dt的数值。在t3～t4阶段，IGBT1和IGBT3进入关断状态，由于缓冲二极管和钳位电容支路上杂散电感的存在，导致IGBT1出现了电压过冲Vp1，其电压过冲峰值由流过钳位电容的电流变化率di/dt与杂散电感值决定。在t4～t5阶段，IGBT1和IGBT3已经关断，流过缓冲电感的电流向钳位电容充电中IGBT1两端电压出现第二个电压过冲Vp2。在t5～t6阶段，IGBT1和IGBT3继续保持关断状态，钳位电容放电，缓冲电感在电流减小到零后经过二极管反向恢复，IGBT1的端电压将会继续减小到最小值然后慢慢恢复到稳定值，重新回到t0之前阶段。

2 缓冲电路中各元件参数的计算

2.1 缓冲电感L的设计

缓冲电感L的主要作用是限制开通电流上升率和关断电流的下降率。它的取值与直流电压VDC、IGBT额定di/dt以及并联二极管的关断di/dt的大小等相关。在器件开通时存在公式：

式中，VDC为母线电压，L为缓冲电感，Ls为杂散电感。按照逆变器工作时的母线电压和器件允许的最大电流变化率（di/dt）可以确定缓冲电感的取值。并且由于器件导通和阻断时允许的电流变化率不同，因此可以得到缓冲电感的允许范围为：

由于IGBT器件开关时的电流变化率较小，缓冲电感的数值会远高于杂散电感，因此可以忽略杂散电感的影响。

2.2 钳位电容C的计算

当器件关断后，由于缓冲电感中所储存的电能不能够马上释放，因此钳位电容和吸收电阻提供了能量释放电路。

在IGBT开通后，由基尔霍夫定律和瞬态信号分析方法可得：

在电压取极大值时，电容数值最小，因此电容的取值条件为：

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式中，ΔUmax=u(t)max-UD

2.3 吸收电阻R的计算

钳位电容通过吸收电阻放电的等效电路中，电感支路视为开路，母线电容一般较大，视为短路。吸收电阻和钳位电容的数值相互制约，缓冲电路中吸收电阻的计算公式为：

对于k的数值，一些文献采取规定数值的方式，通常为0.8，按照这一约定可以直接计算获得吸收电路中各参数的数值，另外也可以按照约定放电时间的方式进行处理。由于钳位电容C中的能量要在规定时间内完成放电，所以时间常数τ要限值在一定的时间内，由此可以得出k的计算为：

在确定放电时间后，依次可以计算得到钳位电容和吸收电阻。

3 分析验证

为了分析本文总结的吸收电路各参数取值方法的准确性，本节按照图1建立了仿真电路，在改变吸收电路参数情况下进行了对比计算。

3.1 仿真电路参数设计

仿真电路中，母线电压为2 000 V，最大电压不超过2 500 V，因此电压最大变化数值为500 V，最大输出电流为2 000 A。IGBT及其反并联二极管承受的最大 di/dt为 800 A/μs，阻断时通常大于 200 A/μs。因此，由式（2）可以计算得到缓冲电感的范围为2.5 μH≤L≤10 μH。

3.2 仿真电路控制方式

为了模拟实际逆变器工况，仿真分析时采用PWM脉宽调制策略，开关频率为400 Hz，IGBT1和IGBT3控制信号相同，IGBT2和IGBT4控制信号相同，两组控制信号为互补信号，切换时死区时间为80 μs[10]。

3.3 仿真结果分析

参考前文的分析，缓冲电路的作用是通过对IGBT器件开关过程中高频振荡的抑制，实现较低的关断电压和较小的电流过冲。

为了获得缓冲电路对开关过程的影响程度，并且考虑到电压和电流波形特征相同，因此本文定义了如图3所示的开关过程波形参数。其中电流主要关注上升阶段的电流变化率di/dt，电压关注过充ΔU。

图3 器件开关波形特征

本文应用Saber软件建立了逆变器的模型，计算了不同参数情况下的波形参数变化。钳位电容为10 μF，吸收电阻为0.5 Ω时，缓冲电感参数对波形参数影响如表1所示；缓冲电感为6 μH，吸收电阻为0.5 Ω时，钳位电容参数对波形参数影响如表2所示；缓冲电感为6 μH，钳位电容为10 μF时，吸收电阻参数对波形参数影响如表3所示。

表1 缓冲电感参数对波形参数影响

表2 钳位电容参数对波形参数影响

表3 吸收电阻参数对波形参数影响

对计算结果进行分析，可以得出表4所示的规律。缓冲电感越大，电流变化率di/dt则越小；缓冲电容越大，IGBT关断过电压则越小；缓冲电阻越小，IGBT过电压恢复时间越短。其中钳位电容和吸收电阻对电流变化率虽然也有影响，但是影响不显著。

表4 缓冲电路各元件作用

4 结 论

本文对逆变器缓冲电路的设计方法进行了总结，给出了缓冲电感、钳位电容以及吸收电阻的选型计算式，为逆变器缓冲电路的设计提供了参考。