0 引言

    為了確保功率開關管安全可靠的工作，功率開關管必須工作在安全工作區。但在硬開關條件下，功率開關管在開通和關斷過程中可能承受過壓、過流。過大的di/dt和dv/dt的沖擊，使開關管發熱，如不采取保護措施，可能使功率開關管超出安全工作區而損壞。為此，在功率開關管電路中，通常設置吸收電路或采用軟開關技術，防止瞬時過壓、過流，減小開關損耗，確保開關管工作在安全工作區。

    逆變器常用的吸收電路有無源并聯RC電路、并聯RCD吸收電路和有源吸收電路。有源吸收電路在電路結構、控制方法上都比較復雜，成本也比較高，因此，無源吸收電路比有源吸收電路在工程上有著更為廣泛的應用。逆變器常用的無源吸收電路有A型、B型、C型三種^[1]。這三種電路均能夠抑制開關在關斷時產生的過電壓，其共同特點是吸收電容C_s上的電壓等于電源電壓，電容電壓過沖部分的能量一部分回饋電源，另一部分消耗在電阻R_s上。其中B型和C型吸收電路又稱為RCD吸收電路^[2]，這兩種吸收電路原理相似，拓撲結構簡單，已經得到廣泛的應用。雖然RCD吸收電路可以改善開關器件的關斷特性，但降低了電路的變換效率，并且在大功率場合，需要大功率的電阻，而消耗掉大量能量，甚至改變了設備的工作環境。為了克服這些缺陷，近年來提出了無源無損軟開關吸收電路（LPSSS）。

    LPSSS電路是軟開關技術的一種，它通過在主電路中附加電容、電感及二極管等無源器件，在主開關換流時建立零電壓、零電流開關條件。由于吸收電路上的儲能可全部傳遞給負載，因此從理論上講，吸收電路是近似無損的，這有利于提高變換器的效率。無源無損吸收電路的另一個突出優點是無需額外的控制，因此不會增加控制電路的復雜度，不影響變流器控制電路的設計。因此，為了簡化電路，提高變換效率，有必要研究LPSSS電路，已有文獻[3-9]對LPSSS電路作了大量的研究，但是這些LPSSS電路仍然具有一定的缺陷。文獻[7]提出的LPSSS電路結構簡單，能有效降低損耗，但是僅適用于開關頻率較低的電路。文獻[3-7]提出的LPSSS電路，通過變壓器或耦合電感將吸收電容中的能量反饋到電源端或負載，既降低了開關開通關斷過程中的損耗，也提高了能量的利用率，但是電路結構較為復雜，成本較高，并且變壓器和耦合電感的漏感問題還有待于研究。

    為此，筆者在Boost和半橋逆變器的LPSSS電路^[9-10]的基礎上，提出了一種新型PWM逆變器LPSSS電路，電路的拓撲結構簡單，適用于單相和三相全橋電路，最終通過仿真驗證了該吸收電路可靠性和適用性。

1 逆變器損耗分析

    逆變器是否能正常工作，應當滿足下述條件：正常情況工作時，器件的開關軌跡應在器件的安全工作區以內，并應有足夠的裕量；在PWM方式下工作時，器件的總損耗應小于其允許的耗散功率，并應有足夠的裕量。

    在IGBT關斷過程中，因為主回路雜散電感L_p的存在，會使IGBT的集電極出現電壓峰值U_cep。這一情況在短路關斷時表現得最為嚴重，必須將U_cep限制在安全工作區之內。

    圖1^[10]所示為IGBT關斷時的電壓電流波形，以及功率開關的功率損耗。其中，t_tail為尾部電流，i_tail為下降時間，t_f和t_doff分別為關斷下降時間和關斷延遲時間。每個脈沖IGBT的關斷損耗可近似為：

若減小關斷時的U_c上升速度，可減小E_I(soff)。關斷過程中Ic的下降速度主要取決于器件的總充電荷和少子壽命^[11]。

2 逆變器RCD吸收電路原理分析

    以圖2(a)為例，可將RCD吸收電路的工作過程劃分為3個階段：(1)換流階段。從開關接受關斷信號到完全截止。此階段，流過主回路的寄生電感L_p的母線電流經過開關管VT和吸收電路兩條支路分流。在此過程中出現第一個尖峰電壓ΔV₁。ΔV₁與母線電流I_L、吸收電路寄生電感L_s、關斷電流的di/dt有關。(2)諧振放能階段。換流階段結束后，開關完全截止。主回路寄生電感L_p與吸收電容C_s諧振，L_p中的能量通過C_s諧振，L_p中的能量通過C_s釋放。在此過程中出現第二個ΔV₂，此尖峰與母線電流I_L，主回路寄生電感L_p、吸收電容C_s、吸收電路寄生電感L_s有關。(3)吸收電容C_s放電階段。諧振放能階段結束后，電容C_s通過電阻R_s、電源和負載放電。

    RCD吸收電路的特點是每次關斷之前把C₁中儲存的能量通過電阻R₂回饋到主回路中去，使C₁的電壓保持在電源電壓上。同時，吸收電阻R₂能消除C₁放電造成的電流振蕩，使IGBT開關時處于比較平穩的狀態。這種電路的缺點在于當功率進一步增大時，回路寄生電感會變得很大，導致不能有效地抑制瞬變電壓。同時吸收電阻R_s的存在會影響吸收電容C_s的放電時間，隨著開關頻率的增加，電阻R_s的溫度升高會改變設備的工作環境。

    吸收電路參數計算^[12]：

式中，I_L為母線電流，L=L_p+L_s，f_s和t_r分別為開關頻率和開通電流上升時間。過電壓保護度Δu%一般設定為15%。

3 新型逆變器LPSSS電路的原理分析和仿真

    圖3(a)所示為PWM逆變器LPSSS電路。該拓撲電路圖中每一組橋臂有兩個IGBT開關VT₁和VT₂組成和與開關反并聯的二極管D₁、D₂。吸收電容C_s1和C_s2分別并聯在VT₁和VT₂上，減小了dv/dt，實現了開關ZVS關斷。

    圖3(b)所示為VT₁開通或VT₂關斷時的電壓波形。假設t₀時刻VT₁開通，吸收電容C_S1通過二極管D_S1充電，C_S2通過C_b1和D_S2放電。因此，在此過程中吸收電容C_S1的電壓V_CS1上升，C_S2的電壓V_Cs2下降，V_Cb在C_S2放電結束時，電壓達到最大值，隨后放電至V_dc，并最終保持恒定。

3.1 LPSSS電路的工作原理

    為了簡化分析，以一組橋臂為例。該吸收電路每一個開關VT₁和VT₂都分別并聯吸收電容C_s1、D_s1和C_s2、D_s2，能夠有效減小dv/dt，實現了開關ZVS關斷。吸收電容中的能量儲存在電容C_b中，最終通過C_b和電感L_r1諧振將能量回饋到電源端。在一個開關周期內，A相負荷電流假設恒定不變。如圖4所示，吸收電路的工作模態如下：

    模態1，t<t₀：VT₁處于導通狀態，負荷電流i_load保持恒定且i_VT1=i_load，吸收電容C_s1上的電壓為零。

    模態2，t₀<t<t₁：t₀時刻，VT₁關斷而VT₂導通，i_VT1迅速下降至零。由于負荷電流不能突變，此時二極管D_s1導通，電容C_s1和C_b通過D_s1充電，C_s2進行放電。

    模態3，t₁<t<t₂：t₁時刻，電容C_s1充電至V_Cs1=V_dc，電容C_s2放電至0。

    模態4，t₂<t<t₃：寄生電感L_p(L_p1=L_p2)上的能量轉移到電容C_b1上。在此模態中，V_Cb>U_d，能量回饋電路開始工作，將吸收的能量回饋到電源側。二極管D₂處于導通狀態，提供負荷電流i_load。

    模態5，t₃<t<t₄：t₃時刻，VT₂關斷而VT₁導通，i_Lp開始增加，由于負荷電流保持恒定，所以D₂仍然處于導通狀態，且提供一部分負荷電流。

    模態6，t₄<t<t₅：i_Lp繼續增加，吸收電容C_s2通過L_p-C_s2-D_s2路徑充電。C_s1開始把儲存的能量轉移到C_b1上。能量最終通過諧振電感L_r1和二極管D_r1和D_r2反饋到直流電源V_dc。在此模態的末端，C_s1放電至零，C_s2充電至V_dc。

3.2 仿真分析

    合理的設計和選擇吸收電路的元件參數對于LPSSS電路的吸收效果是至關重要的。dv/dt和di/dt取決于吸收電容C_s，寄生電感L_p和負荷電流I_load的大小。當寄生電感L_p和吸收電容C_s發生諧振時，如模態2所示，dv/dt達到最大值，V_Cs1可表示為：

I_load為A相負荷電流，f_sw為開關頻率。

    在實際工程應用中，由于寄生電感難以準確地估算，所以需要經過多次測試來確定。Saber仿真時，直流側輸入電壓U_d=330 V，開關頻率為f_sw=10 kHz。L_r=1 μF，寄生電感L_p1=L_p2=200 nF，C_S1=C_S2=0.1 μH，C_b=1 μH。

    圖5所示為硬開關電路時VT₁關斷時的電壓波形(b)和負荷電流波形(a)。開關關斷時，由于線路寄生電感L_p的存在，使得開關在關斷時會產生一個很高的尖峰電壓，并且隨著負荷電流的增加，尖峰電壓會增大，最大尖峰電壓U_cep能夠達到522 V，Δu=58.2%,超過了限定值15%。此外，在吸收電容放電時會產生一個由二極管的反向恢復特性引起的電壓振蕩。同時，關斷電壓上升速度過快，也會產生極大的關斷損耗。

    圖6所示為PWM全橋逆變器加入無損吸收電路后VT1關斷時的電壓波形。關斷電壓的峰值U_cep=349 V，Δu=5.8%，有效地限制在了15%以內。并且，吸收電路有效抑制了dv/dt，減小了開關關斷時的電壓振蕩實，現了零電壓關斷，同時也有效地降低了開關關斷時的損耗。

    圖7所示為電容C_b的電壓和二極管D_s1電流波形。電容C_b的電壓u_Cb維持在330 V左右，且圖中A部分說明了電容電壓u_Cb和二極管電流i_Dr1在開關VT₁關斷時過電壓產生的波動，B部分說明了開關VT₁導通時吸收電容C_S1放電引起的波動。

5 總結

    本文在傳統的RCD吸收電路的基礎上，提出一種新型PWM逆變器LPSSS電路，并通過仿真驗證了該電路的可行性。該吸收電路設計簡單，既能降低開關關斷時產生的尖峰電壓，同時也能將吸收電容的能量轉移到電源，提高了能量的轉移效率，降低了電路對環境的要求。該LPSSS吸收電路適用于所有開關電源的上下橋臂開關管中，同時還能應用于單相或三相全橋電路，且不會增加輸出電壓電流的諧波含量，具有良好的工程實用性。

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