逆变器用IGBT吸收电路的Matlab仿真研究

张全柱，黄成玉，邓永红

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京101601)

摘要：IGBT的开关速度很高，关断时一般会产生过电压，实际电路中通常都会在IGBT旁加吸收电路(缓冲电路)。针对其中五种吸收电路的特点、适用范围进行了描述和比较，并利用Matlab软件对IGBT(两种第五代IGBT模块)的吸收电路进行了仿真，并给出了试验渡形和优化的吸收电路参数选择。

关键词：IGBT过电压；吸收电路；仿真；参数选择

中图分类号：TM464    文献标识码：B

1引言

 

    绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)作为兼有MOSFET和电力晶体管的新型复合型器件，是一种输入阻抗高，驱动功率小，开关速度高的电压控制型器件，在电力电子领域中得到越来越广泛的应用。但由于IGBT关断过程中很可能产生过电压，在实际电路中IGBT吸收电路(缓冲电路)必不可少。

 

    2 IGBT的过电压和吸收电路

 

    2.1IGBT过电压的分类

 

    IGBT过电压主要分为关断过电压和换相过电压两种[1]。

 

    (1)关断过电压

 

    IGBT的开关速度很高，关断时会产生很大的di／dt，从而在模块周边的分布电感L上会产生很高的L·(di／dt)(关断浪涌电压)，如果对其不加限制，则可能会造成器件的过压击穿。

 

    (2)换相过电压

 

    续流二极管反向恢复时也会产生过电乐(浪涌电压)。当IGBT导通时，二极管的电流迅速减小到0而趋向关断，其反向恢复过程使这个电流继续减小到负的****值，在这个电流再次快速恢复到O的过程中，会产生可观的dI／dt，进而会在母线寄生电感上感应出Vs=Lb·di／dt的电压阻止该电流的减小，这个电压Vs和直流电压叠加起来，对IGBT的耐压能力形成威胁。

 

    2.2 IGBT吸收电路的种类和特点

 

    吸收电路也称缓冲电路，是抑制过电压的重要方法之一。

 

    IGBT的吸收电路分为充放电型和放电阻止型两种。如图1、2、3所示，充放电型吸收电路一般分为RC充放电吸收电路、RCD充放电吸收电路和C吸收电路。放电阻止型吸收电路一般分为放电阻止型RCD吸收电路(A)和放电阻止型RCD吸收电路(B)。

 

  如表1所示为充放电型吸收电路，如表2所示为放电阻止型吸收电路类型比较。

 

3 Matlab／Simulink6.O对IGBT吸收电路的建模和研究

 

    为了研究吸收电路对IGBT过电压的抑制情

况，使用Matlab／Simulink6.0对IGBT实际吸收电路建立模型进行仿真分析。通过模拟CMIOODY-24A、CM300DY-24A[2](耐电压为1200V，集电极电流分别为100A、300A)两种IGBT模块关断时的过电压情况，比较RC、RCD、C、放电阻止型RCD吸收电路(A)和放电阻止型RCD吸收电路(B)五种吸收电路对过电乐的抑制效果，并找出电路组件的****参数。如图4、5所示。

 

    3.1 CM1OODY-24A模块的吸收电路选择与研究

 

    (1)无吸收电路时过电压的情况分析

 

    分析过程中，为了更真实地模拟IGBT在较恶劣环境中的工作情况，仿真过程根据推荐值对模型中CM100DY-24A的参数进行设置。

 

    如图6所示为在不加吸收电路情况下IGBT关断时的过电压情况。从图6中可以看到，在不加吸收电路保护的情况下，IGBT关断时的电压峰值接近900V，这对IGBT的安全工作是很不利的。

    (2)采用RC吸收电路对过电乐抑制情况的分析

 

    图7采用RC吸收电路后的电路模型(以下几节分别用同样的方法对RCD、C、放电阻止型RCD吸收电路(A)和放电阻止型RCD吸收电路(B)四种吸收电路建立电路模型)，吸收电容和电阻串联后并接在IGBT的两端。电阻R的取值不能过大，以获得较好的吸收效果。图8给出了采用此吸收电路后IGBT关断时集一射极电压Vcr和集电极电流Ic波形。

 

    在小容量、低频IGBT电路应用中RC吸收电路对过电压的抑制作用较好。但同时应该注意到IGBT在开通时集电极电流会有所增加。

    表3为对三组不同参数元件的仿真结果及分析。表3的仿真结果可知，充电电阻的阻值越小，对过电压的抑制效果越好，但同时引起集电极电流上升越严重，且IGBT的开关损耗越严重；而充电电阻的阻值越大，对过电压的抑制越差，引起的电压过冲会越高。

 

    (3)采用RCD吸收电路对过电压抑制情况的分析

 

    图9为采用RCD电路后IGBT关断时集射极电压Vce和集电极电流Ic波形。

    表4为对三组不同参数元件的仿真结果及分析。从表4的仿真结果可以看出，RCD吸收电路对过电压的抑制要好于RC吸收电路，与RC电路相比Vce升高的幅度更小。由于可以取大阻值的吸收电阻，在一定程度上降低了损耗。

时的过电压接近900V。由于大功率的IcBT电路所能允许的主电路寄生电感更低，在这样的IGBT模块应用中，充放电型RC和RcD吸收电路已经不再适用，以下主要讨论C吸收电路和放电阻止型RCD(A)和RCD(B)。

    (2)采用C吸收电路对过电压抑制情况的分析

 

    图11为采用C吸收电路后的IGBT关断时  集一射极电压Vce和集电极电流Ic波形，表5为对  三组不同参数元件的仿真结果及分析。

从仿真结果可以看出，采用C吸收电路后Cce普遍会发生不同程度的振荡。在更大功率的电路中，仅采用C缓冲电路已经无法有效抑制关断过电压，且电压振荡的程度更加严重。这时就要采用放电阻止型RCD吸收电路。

 

    (3)采用放电阻止型RCD吸收电路(A)对过电压抑制情况的分析

 

    在放电阻止型RCD吸收电路(A)的电路中，吸收电容与缓冲二极管串联后并联于IGBT的集电极和发射极之间，电阻Rs另一端与电源的正极相连。在加放电阻止型RCD吸收电路后，当IGBT的集电极电压高于电源电压时，杂散电感中的能量通过缓冲二极管转储到吸收电容Cs中。图12为IGBT关断时集一射极电压Vce和集电极电流Ic波形，表6为对三组不同参数元件的仿真结果及分析。

    从图12可以看出，放电阻止型RCD吸收电路(A)对IGBT关断过电压的抑制效果较好，但仍有一定的过电压。和C吸收电路相比，这种电路结构不会引起集电极电流的上升．适用于较大功率IGBT电路。

    仿真结果表明，使用这种吸收电路时，IGBT的关断电压仍然会高于电源电压。电路中吸收电阻的取值不能过大，否则会导致关断时的过电压较高。增大吸收电容的取值有利于抑制过电压，但电容值过大会增加吸收电路的成本，需要综合考虑。

 

    (4)采用放电阻止型RCD吸收电路(B)对过电压抑制情况的分析

放电阻止型RCD吸收电路(B)电路也称交叉式吸收电路。图13为采用放电阻止型RcD吸收电路(B)后IGBT关断时的波形。由于其寄生电感更小，B型吸收电路过电压抑制效果优于A型吸收电路。表7为对三组不同参数元件的仿真结果及分析。

 

    仿真结果表明，在电路功率较大时，B型吸收电路抑制过电压的效果明显优于A型吸收电路，但B型吸收电路的结构更加复杂，使用的元件数量比A型多一倍，这义增加了实际应用中吸收电路的成本。因此在工程实际中，当IGBT的开关频率与母线电压较低时，考虑使用A型吸收电路即可满足要求。当IGBT的开关频率较高、电路功率较大时，应使用B型吸收电路，以更好的抑制过电压，保护IGBT的安全。

 

    4 结论

 

    对IGBT吸收电路的两大类共5种吸收电路都分别建模并进行了仿真研究。其目的和意义在于使所建立的模型尽可能接近实际应用情况，从而可以通过运行仿真模型来模拟实际电路的运行过程，使最终得出的结果可以有助于实际应用，为相关电路的设计过程提供指导。

 

参考文献：

 

    [1]于兆安，黄俊．电力电子技术[M]北京：机械工业出版社，2000.

 

    作者简介：

 

    张全柱(1965-)，男，内蒙古乌兰察布市人，工学博士后，副教授，1987年毕业于北京交通大学，获得博士学位。现工作于华北科技学院电信系信息技术与控制研究所，研究方向为电力电子与电力拖动、计算机测控技术、煤矿电气设备技术等。

 

    黄成玉(1977-)，男，内蒙古通辽人，硕士，讲师，华北科技学院信息与控制技术研究所，研究方向为电子信息技术、计算机测控技术等。

 

    邓永红(1975-)，男，湖南涟源人，硕士，工程师，华北科技学院信息与控制技术研究所，研究方向为电力电子与电能变换技术、微型计算机控制技术等。