基于Simulink的IGBT缓冲电路的仿真研究

蔺满强 ，陈改霞

（1.天水电气传动研究所集团有限公司，甘肃 天水 741020；2.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃 天水 741020）

绝缘栅双极型晶体管IGBT是Insulated Gate Bipolar transistor的缩写，是MOSFET和电力晶体管组合而成的新型复合器件，是具有驱动功率小、输入阻抗高、开关速率高、饱和压降低的电压型全控器件。IGBT是逆变器的主要功率器件，工作时共有开通、关断、通态、断态4种状态。在实际应用中，IGBT在通态时流过集电极的电流很大，但管压降很小，一般为2V左右；在断态时IGBT的集电极和发射极之间承受较大的电压，但漏电流很小；IGBT在开通和关断过程中，由于电路杂散电容和杂散电感的影响，IGBT可能同时承受过电压、过电流以及较大的du/dt、di/dt，对此需要采用缓冲电路对其进行抑制，以防止损坏器件。

1 逆变器中IGBT浪涌电压的成因及缓冲电路的种类

1.1 浪涌电压的形成原因及危害

如图1所示为IGBT关断时的集电极电流Ic和集电极与发射极之间电压Uce的动作波形，当IGBT由通态迅速关断时，集电极电流Ic也迅速降为零（忽略漏电流），因而电路产生很大的电流变化率-di/dt，这使得其在主回路的杂散电感上产生很大的尖峰电压-Ldi/dt，直流电源电压和这个尖峰电压叠加后形成电压Ucesp，Ucesp加在关断的IGBT的集电极与发射极之间。如果Ucesp很大，Ucesp将会超出IGBT的反向安全工作电压，从而击穿IGBT。除此之外，电压变化率du/dt太大时也可能使IGBT误导通，从而损坏IGBT。

图1 关断时的动作波形图

1.2 缓冲电路的种类

抑制IGBT关断时的浪涌电压最有效的方法是在IGBT的C-E之间加缓冲电路，即吸收电路。缓冲电路在功率开关器件的保护应用中起着重要作用，主要用来抑制功率器件的过电压和du/dt或过电流和di/dt，减小器件的开关损耗，提高系统的可靠性。通常分为开通缓冲电路（di/dt抑制电路）和关断缓冲电路（du/dt抑制电路），本文主要介绍常用的关断缓冲电路。常用的缓冲电路有C型缓冲电路、RC型缓冲电路、RCD充放电型缓冲电路和RCD限幅钳位型缓冲电路。

①如图2所示为C型缓冲电路，吸收电容并联在桥臂的正负之间，对瞬态电压的抑制非常有效。但这种缓冲电路在大功率设备的应用中，吸收电容会与直流母线的杂散电感容易产生振荡，从而引起IGBT集电极电流上升，通常用在中等容量的装置中。

图2 C型缓冲电路

②如图3所示为RC型缓冲电路，其中吸收电容越大，吸收的尖峰能量就越多，放电电阻越小，吸收电容放电越快，缓冲效果就越好。当IGBT关断时，杂散电感产生的尖峰电压被电容吸收，当IGBT开通时，电容通过电阻开始放电，最终电容吸收的能量在电阻上以热能的形式消耗掉，因此，电阻的功率比较大。与C型缓冲电路相比，RC型缓冲电路能够有效抑制振荡的发生。常用在小容量、低频率的装置中。

图3 RC型缓冲电路

③如图4所示为RCD型缓冲电路，缓冲电路直接并在桥臂的正负极，电路中二极管为快恢复二极管，可以钳位瞬变电压，从而可抑制电路发生振荡。设计电路时，为了保证吸收电容上的尖峰电压能够在每一个开关周期通过电阻及时消耗掉，一般RC时间常数按开关周期的1/3设计，通常用于大容量逆变器。

图4 RCD型缓冲电路

④如图5所示为RCD充放电型缓冲电路，与RC型缓冲电路相比，缓冲电路并联在IGBT的C-E两端，可以有效地抑制IGBT集电极与发射极之间的过电压。缓冲电路的损耗比较小，且不会使IGBT集电极电流上升，但吸收回路有较大的寄生电感，通常用于中等容量和较高频率的装置。

图5 RCD充放电型缓冲电路

⑤如图6所示为RCD限幅钳位型缓冲电路，也称为交叉钳位电路，缓冲电路的损耗比较小，通过二极管的有效钳位，可以抑制IGBT关断时回路中杂散电感产生的浪涌电压，通常作为单独缓冲电路使用，常用于大功率开关器件的保护以及大功率高频设备。

图6 RCD钳位型缓冲电路

2 杂散电感的测量与计算

在逆变器IGBT的缓冲电路设计时，首先需要确定电路杂散电感的参数。杂散电感根据电路的布局而定，不容易计算，通常采用测量的方法来确定电路中杂散电感的值。在不加任何缓冲电路的情况下，用示波器观察IGBT关断时的振荡周期T1，然后，在IGBT的CE之间并联一个电容C，容值为Ctest，再用示波器记录IGBT关断时的振荡周期T2，则杂散电感为：

杂散电容为：

其中fi为无缓冲电路关断IGBT时的振荡频率。

3 RCD限幅钳位型缓冲电路原理与计算

如图7所示为逆变器一个桥臂，图中的IGBT1和IGBT2分别加了RCD限幅钳位型缓冲电路，图8为IGBT1工作时简化的等效电路，现只针对IGBT1工作时结合图7和图8具体地分析RCD限幅钳位型缓冲电路的工作原理，IGBT2只需二极管D2续流即可。

图7 RCD钳位型缓冲电路图

图8 简化的RCD钳位型缓冲电路

图中Lm为直流母线分布总电感（Lm=L1+L2），Ls1、Ls2为RCD缓冲电路布线电感，Cs1、Cs2为缓冲电路吸收电容，VDs1、VDs2为缓冲电路二极管，Rs1、Rs2为缓冲电路电阻，Io为IGBT关断前集电极输出电流，Uce为Cs1上充电尖峰电压，Ed为直流电源电压。

3.1 RCD钳位型缓冲电路结构及工作原理

如图7所示，假设当前电路工作状态为IGBT1开通，IGBT2关断，此时电源Ed的正极经电感Lm、IGBT1、二极管VDs2对电容Cs2充电，电容Cs2上电压最终为Ed，从而，流过IGBT1的电流可以分为两部分，一部分为电容Cs2的充电电流，而另一部分为流过负载的电流（如图8所示），与此同时，电容Cs1处于放电状态，随着放电的进行，电容Cs1的电压逐渐低于电源电压Ed。当IGBT1的驱动信号由高电平变为低电平，IGBT2的驱动信号由低电平变为高电平后，IGBT1开始关断，IGBT2开始导通，由于IGBT1和IGBT2的驱动信号设有死区时间，在IGBT1关断时，IGBT2不是立刻导通，为了使负载电流连续，IGBT2上反并联的续留二极管D2导通。如图8所示，二极管D2导通后，缓冲二极管VDs1的阴极几乎被钳制在电源Ed负极电位上（忽略续流二极管D2的压降），由于电容Cs1两端电压不会发生突变，使得二极管VDs1的阳极电位高于阴极，此时二极管VDs1处于正向偏置而导通。与此同时，由于分布电感Lm的电流不能突变，因而电感Lm通过电感Ls1仍然以维持电流Io不变的趋势向电容Cs1充电，这使得电流Io在电感Ls1上产生一个左正右负的反电动势-Ls1dIo/dt。如图9a所示，由于二极管的正向过渡特性，二极管VDs1在导通时产生较大的正向瞬时电压Ufp（ds）。综上所述，IGBT1关断时加在C、E两端的电压是Ls1、Cs1、VDs1的支路电压总和，即：

图9 缓冲工作波形

如图9a所示，二极管VDs1正向过渡特性随着电容Cs1充电过程的进行很快结束，其正向压降逐步降到零（忽略管压降）。如图9b所示，Uce因二极管VDs1压降的减小而从Ucesp逐渐减小，由于电容Cs1的电压随着充电的进行而升高，使得IGBT集电极与发射极两端的电压也逐步升高，Uce从Ucesp降低后又逐渐回升到了Ucep。

当电容Cs1充电过程停止时，电容Cs1通过（Ls1+Lm）、Ed、VDs1、D2构成的LC回路开始放电。使电感Ls1上产生的反电动势改变方向（左负右正），这使得电压Uce产生了一个-Ls1dIds/dt的负电压，从而二极管VDs1上开始出现反向恢复电流。由于二极管VDs1的反向电流Ids达到最大后又开始减小，使得Ls1上又产生一个反电动势（左正右负），从而电压Uce又出现了一个上跳。当二极管VDs1的反向电流Ids减为零后，二极管VDs1关断，即Ids=0，此时-（Ls1+Lm）dIds/dt=0，二极管VDs1承受反向电压Uds1，Uds1=Ucep-Ed=△Uce。

上式中，Idsr为二极管VDs1的反向恢复电流，△Uce是分布电感Lm向电容Cs1充电时在电感Ls1上产生的高出直流电压Ed的电压，是加在二极管VDs1两端的反向偏压。

3.2 缓冲电路器件参数的计算

根据以上缓冲电路的工作原理可知，主回路的布线电感Lm是产生过电压的根本原因，工作期间电感Lm存储的能量为

电容Ccs1需要吸收的能量为

令式（6）等于（7），得

为了确保电容Ccs1能够完全吸收Lm中的能量，电容Ccs1的值应取

为了让缓冲电路能够有效地抑制尖峰电压，要求吸收电容90%的能量在IGBT1关断时能够放掉，缓冲电阻Rs1的值可由式（10）计算得到。当缓冲电阻的阻值过小时，一方面电阻的功率变大，体积相应变大，不好安装；另一方面可能使缓冲电路发生振荡，从而增加IGBT1导通时的集电极电流，因而电阻取值不宜太小。

缓冲电阻产生的损耗P（RS），可由下式确定：

式（11）系数10是电阻瓦特数的裕度系数，以防温升过高，f为开关频率。

综上所述，在RCD限幅钳位型缓冲电路设计时，缓冲电阻应尽可能的选取无感电阻，缓冲电容应尽量选取内阻小的无感电容，为了降低二极管的功耗，防止IGBT的C-E之间的电压振荡，缓冲二极管应选取反向恢复时间短、导通时正向过渡电压低、反向恢复特性软的快恢复二极管。在RCD电路安装时，应使RCD电路尽可能地靠近IGBT，接线时，连接线要尽可能短，以减小分布电感。

4 RCD限幅钳位型缓冲电路在Simulink中仿真

根据以上分析结果，利用Simulink对图8所示的RCD钳位型缓冲电路进行仿真，电路参数母线电压Udc=1000V，Lm=500nH,尖峰电压取10%，即△Uce=100V，峰值电流Io=1000A,开关频率f=10kHz，由（4）和（9）计算可得Cs1=2.38uf，取值为Cs1=2.5uf，（11）式得Rs=17.3Ω，取值为15Ω。MATLAB工具箱中二极管的仿真模型不对二极管开通、关断过程进行仿真，在仿真时，不考虑二极管导通时的正向过渡特性和关断时的反向恢复特性。

图10 基于Simulink的RCD仿真电路

图11、12中Pulse为IGBT的驱动脉冲，Ids1为二极管VDs1的电流，Uds1为二极管VDs1两端的电压，Uce为IGBT的C-E电压。

图11 无缓冲电路时IGBT关断的仿真波形

如图11所示，在IGBT的C、E极之间不加缓冲电路时，在IGBT关断时，IGBT两端的Uce出现很高的-Ldi/dt，达到1500V，超出母线电压500V。

图12为在IGBT的C、E极之间加RCD限幅钳位型缓冲电路的仿真波形，在IGBT关断时，分布电感Lm为了维持电流不变，开始向吸收电容Cs1充电，二极管VDs1的电流由小增大，在Lm上产生-LmdIo/dt反电动势（左正右负），充电结束后，Cs1经Lm、Ed、D2、VDs1构成的LC电路开始放电，Lm上反电动势改变方向（左负右正），二极管VDs1的电流随着放电的进行而逐渐减小，如图12的曲线Ids1所示；二极管VDs1进入关断状态后，VDs1上承受反向电压，Uce在IGBT关断瞬间电压接近1100V,在设计范围之内，表明RCD限幅钳位型缓冲电路有效地抑制了IGBT关断时的尖峰电压。

图12 RCD缓冲电路仿真波形

5 结论

本文首先对五种常见的缓冲电路的特点及使用范围进行了比较，然后对RCD限幅钳位型缓冲电路的工作原理作了详细地分析，给出了电路杂散电感的测量方法，结合RCD限幅钳位型缓冲电路的工作原理列出了元器件参数的计算公式，并通过Simulink仿真对RCD限幅钳位型缓冲电路的工作原理进行进一步的研究和验证，得出RCD限幅钳位型缓冲电路在大功率逆变器中对功率器件IGBT在开关过程中产生的浪涌电压可以进行有效地抑制，从而保护IGBT工作在安全区。