高頻電容器充電電源絕緣柵雙極晶體管吸收電路設(shè)計(jì)

段恒利

前言

為了增加電源功率的密度，務(wù)必采用將雙極晶體管吸收電路高頻化的手段。電容器電源中的開(kāi)關(guān)器件的安全是一個(gè)很重要的問(wèn)題，為了保證它的安全。務(wù)必采用以串聯(lián)諧振式所組成的電容器，并以它的充電電源為基礎(chǔ)。本文研究了影響IGBT的因素，并研究了對(duì)于尖峰電壓的取值。本文首先介紹了尖峰電壓的簡(jiǎn)單產(chǎn)生機(jī)理，隨后對(duì)抑制尖峰電壓的幾種方法做了簡(jiǎn)單描述，然后簡(jiǎn)單介紹了吸收電路，最后介紹了吸收電路的基本的工作思路。

1.尖峰電壓產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)于高頻電容器來(lái)說(shuō)，它的充電電源有很多種，串聯(lián)諧振式的結(jié)構(gòu)構(gòu)架是最主要的一種，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示，開(kāi)關(guān)器件往往選用的是高頻模塊IGBT，它的具體過(guò)程為：

2.抑制尖峰電壓的方法

尖峰電壓在逆變回路中的產(chǎn)生有兩個(gè)很主要的原因，一個(gè)是存在一定的雜散電感Ls，再者就是主回路中的電流變化的迅速。在高頻電源中，開(kāi)關(guān)的開(kāi)通速度往往需要得到提高才行，而IGBT的開(kāi)通速度與電流的變化速度有很大的關(guān)系。因此，為了保證電路正常工作，由開(kāi)始的分析可知雜散電感必須最大程度的減少，并且必須利用吸收電路的作用來(lái)最大可能的降低IGBT的尖峰電壓和對(duì)尖峰電壓抑制。

2.1減小雜散電感

為了有效的減少主回路中的雜散電感，有兩種方式可以采用。第一種是采用同軸電纜，但是電感必須要小。另一個(gè)是采用將回路通過(guò)正負(fù)母排上下疊放的方式連接起來(lái)。根據(jù)我們所學(xué)的知識(shí)可知，在兩根平行導(dǎo)線上通上一種相反方向而且大小等大的電流，并且在它們離的很近時(shí)，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，但是兩者的磁場(chǎng)可以相互抵消。如此一來(lái)，從理論上來(lái)說(shuō)，電感就為0了。

2.2采用吸收電路

電流在回路中通過(guò)的是很大的，而且開(kāi)通速度比較快這個(gè)特點(diǎn)往往是一些較大功率充電電源所具有的特點(diǎn)。由于主回路中的雜散電感的存在，尖峰電壓會(huì)感應(yīng)出來(lái)，當(dāng)較大時(shí)為了抑制電壓的峰值，就必須利用外加吸收電路的相應(yīng)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此我們有三種主要的電路形式。

第1種是在正負(fù)的兩端加上一個(gè)電容，對(duì)于小功率、低成本的逆變器，這種方式都很適用。這種方法對(duì)于尖峰電壓的抑制，一般都能滿足要求。但是電阻不能消耗掉能量，這是一個(gè)缺點(diǎn)。另外對(duì)于一些較大功率的逆變器，在它回路一般都存在很大的雜散電感，這種振蕩回路將會(huì)大大的增加損耗的原因是由雜散電感和吸收電容構(gòu)成的。

第2種吸收電路增加了一個(gè)恢復(fù)速度很快的二極管，并且是在第一種吸收電路基礎(chǔ)之上的。對(duì)前者來(lái)說(shuō)，由于電容會(huì)吸收一些能量，因此它的作用就是消耗掉能量。后者是為了對(duì)震蕩進(jìn)行阻止，這種震蕩是電容與回路中電感共同作用產(chǎn)生的。這種電路較好地解決了第1種電路的缺點(diǎn)，較好的控制了尖峰電壓以及震蕩回路的問(wèn)題。同一套設(shè)備被兩個(gè)功率管使用，這樣就大大節(jié)約了成本。但同樣也帶來(lái)了缺點(diǎn)，如造成吸收電容的放電周期減半等問(wèn)題。

第3種吸收電路最好，它是一種重新改進(jìn)過(guò)后的一種形式，而且是在前兩種電路的基礎(chǔ)上升級(jí)過(guò)的吸收電路。對(duì)于每一個(gè)單獨(dú)的開(kāi)關(guān)，都是各自獨(dú)立的使用一套電路。對(duì)于一些場(chǎng)電路來(lái)說(shuō)，特別是對(duì)存在高頻和大功率的電路來(lái)說(shuō)，第三種吸收電路較第二種更加適合，這是因?yàn)槲针娙菰黾恿撕芏嗟姆烹姇r(shí)間。

3.吸收電路的概述和基本要求

3.1吸收電路的概述

主要由電阻、二極管以及電容組成。為了減少開(kāi)關(guān)管上的電壓的應(yīng)力、還有減少EMI，使其在適當(dāng)?shù)姆秶ぷ?，并且不發(fā)生二次擊穿，吸收電路常和開(kāi)關(guān)管或二極管（包括整流二極管）并接在一起。通常，對(duì)于電子電力裝置來(lái)說(shuō)，它其中的電力電子器件都是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下才工作，同時(shí)器件的開(kāi)通和關(guān)斷也都是連續(xù)完成的，并不是瞬時(shí)完成的。在器件才剛剛開(kāi)通的時(shí)候，如果一開(kāi)始器件的電流就上升的很快，就會(huì)使得開(kāi)通損耗很大，這是由于器件的等效阻抗很大所造成的；在器件接近于完全中斷的時(shí)候，器件還是具有很大的電流，這個(gè)時(shí)候器件所能承受的電壓能力如果迅速上升，必定會(huì)造成很大的關(guān)斷損耗。開(kāi)關(guān)損耗不僅會(huì)造成器件的溫度升高甚至毀壞，甚至?xí)?dǎo)致功率晶體管的二次擊穿。

3.2吸收電路的基本工作思路

為了抑制器件的電流的上升率可以利用電感電流不能突變的特性來(lái)控制；電容電壓具有不能突變的特性，用這一特性可以來(lái)對(duì)器件的電壓的上升率進(jìn)行抑制，這就是緩沖電路的基本工作原理。GTO是一種簡(jiǎn)單的緩沖電路。為了保證能夠抑制當(dāng)GTO關(guān)斷時(shí)，端電壓的上升率dV/dt，電路中的電容C和二極管D就組成關(guān)斷的吸收電路，電路中的電阻的任務(wù)是給電容C提供放電通路。為了保證不同的器件和不同的電路都有對(duì)應(yīng)的方式，緩沖電路的形式有多種。

4.結(jié)束語(yǔ)

在高頻大功率電容器充電電源中，因?yàn)榇嬖诩夥咫妷海绻幌拗扑?，開(kāi)關(guān)器件就會(huì)被損壞，因此務(wù)必加上吸收電路。電路參數(shù)的選擇也是一個(gè)很重要的方面，需要考慮的因素很多：為了保證適應(yīng)沖擊功率的影響，對(duì)電阻功率的選取也是很?chē)?yán)格的，要選取合適的參數(shù)；除此之外，還有一個(gè)很重要的參數(shù)是影響電阻功率損耗和尖峰電壓的，它就是電路中二極管的開(kāi)通時(shí)間，所以此因素應(yīng)當(dāng)考慮。

（作者單位：四川工商學(xué)院）