0 引言

    为了确保功率开关管安全可靠的工作，功率开关管必须工作在安全工作区。但在硬开关条件下，功率开关管在开通和关断过程中可能承受过压、过流。过大的di/dt和dv/dt的冲击，使开关管发热，如不采取保护措施，可能使功率开关管超出安全工作区而损坏。为此，在功率开关管电路中，通常设置吸收电路或采用软开关技术，防止瞬时过压、过流，减小开关损耗，确保开关管工作在安全工作区。

    逆变器常用的吸收电路有无源并联RC电路、并联RCD吸收电路和有源吸收电路。有源吸收电路在电路结构、控制方法上都比较复杂，成本也比较高，因此，无源吸收电路比有源吸收电路在工程上有着更为广泛的应用。逆变器常用的无源吸收电路有A型、B型、C型三种^[1]。这三种电路均能够抑制开关在关断时产生的过电压，其共同特点是吸收电容C_s上的电压等于电源电压，电容电压过冲部分的能量一部分回馈电源，另一部分消耗在电阻R_s上。其中B型和C型吸收电路又称为RCD吸收电路^[2]，这两种吸收电路原理相似，拓扑结构简单，已经得到广泛的应用。虽然RCD吸收电路可以改善开关器件的关断特性，但降低了电路的变换效率，并且在大功率场合，需要大功率的电阻，而消耗掉大量能量，甚至改变了设备的工作环境。为了克服这些缺陷，近年来提出了无源无损软开关吸收电路（LPSSS）。

    LPSSS电路是软开关技术的一种，它通过在主电路中附加电容、电感及二极管等无源器件，在主开关换流时建立零电压、零电流开关条件。由于吸收电路上的储能可全部传递给负载，因此从理论上讲，吸收电路是近似无损的，这有利于提高变换器的效率。无源无损吸收电路的另一个突出优点是无需额外的控制，因此不会增加控制电路的复杂度，不影响变流器控制电路的设计。因此，为了简化电路，提高变换效率，有必要研究LPSSS电路，已有文献[3-9]对LPSSS电路作了大量的研究，但是这些LPSSS电路仍然具有一定的缺陷。文献[7]提出的LPSSS电路结构简单，能有效降低损耗，但是仅适用于开关频率较低的电路。文献[3-7]提出的LPSSS电路，通过变压器或耦合电感将吸收电容中的能量反馈到电源端或负载，既降低了开关开通关断过程中的损耗，也提高了能量的利用率，但是电路结构较为复杂，成本较高，并且变压器和耦合电感的漏感问题还有待于研究。

    为此，笔者在Boost和半桥逆变器的LPSSS电路^[9-10]的基础上，提出了一种新型PWM逆变器LPSSS电路，电路的拓扑结构简单，适用于单相和三相全桥电路，最终通过仿真验证了该吸收电路可靠性和适用性。

1 逆变器损耗分析

    逆变器是否能正常工作，应当满足下述条件：正常情况工作时，器件的开关轨迹应在器件的安全工作区以内，并应有足够的裕量；在PWM方式下工作时，器件的总损耗应小于其允许的耗散功率，并应有足够的裕量。

    在IGBT关断过程中，因为主回路杂散电感L_p的存在，会使IGBT的集电极出现电压峰值U_cep。这一情况在短路关断时表现得最为严重，必须将U_cep限制在安全工作区之内。

    图1^[10]所示为IGBT关断时的电压电流波形，以及功率开关的功率损耗。其中，t_tail为尾部电流，i_tail为下降时间，t_f和t_doff分别为关断下降时间和关断延迟时间。每个脉冲IGBT的关断损耗可近似为：

若减小关断时的U_c上升速度，可减小E_I(soff)。关断过程中Ic的下降速度主要取决于器件的总充电荷和少子寿命^[11]。

2 逆变器RCD吸收电路原理分析

    以图2(a)为例，可将RCD吸收电路的工作过程划分为3个阶段：(1)换流阶段。从开关接受关断信号到完全截止。此阶段，流过主回路的寄生电感L_p的母线电流经过开关管VT和吸收电路两条支路分流。在此过程中出现第一个尖峰电压ΔV₁。ΔV₁与母线电流I_L、吸收电路寄生电感L_s、关断电流的di/dt有关。(2)谐振放能阶段。换流阶段结束后，开关完全截止。主回路寄生电感L_p与吸收电容C_s谐振，L_p中的能量通过C_s谐振，L_p中的能量通过C_s释放。在此过程中出现第二个ΔV₂，此尖峰与母线电流I_L，主回路寄生电感L_p、吸收电容C_s、吸收电路寄生电感L_s有关。(3)吸收电容C_s放电阶段。谐振放能阶段结束后，电容C_s通过电阻R_s、电源和负载放电。

    RCD吸收电路的特点是每次关断之前把C₁中储存的能量通过电阻R₂回馈到主回路中去，使C₁的电压保持在电源电压上。同时，吸收电阻R₂能消除C₁放电造成的电流振荡，使IGBT开关时处于比较平稳的状态。这种电路的缺点在于当功率进一步增大时，回路寄生电感会变得很大，导致不能有效地抑制瞬变电压。同时吸收电阻R_s的存在会影响吸收电容C_s的放电时间，随着开关频率的增加，电阻R_s的温度升高会改变设备的工作环境。

    吸收电路参数计算^[12]：

式中，I_L为母线电流，L=L_p+L_s，f_s和t_r分别为开关频率和开通电流上升时间。过电压保护度Δu%一般设定为15%。

3 新型逆变器LPSSS电路的原理分析和仿真

    图3(a)所示为PWM逆变器LPSSS电路。该拓扑电路图中每一组桥臂有两个IGBT开关VT₁和VT₂组成和与开关反并联的二极管D₁、D₂。吸收电容C_s1和C_s2分别并联在VT₁和VT₂上，减小了dv/dt，实现了开关ZVS关断。

    图3(b)所示为VT₁开通或VT₂关断时的电压波形。假设t₀时刻VT₁开通，吸收电容C_S1通过二极管D_S1充电，C_S2通过C_b1和D_S2放电。因此，在此过程中吸收电容C_S1的电压V_CS1上升，C_S2的电压V_Cs2下降，V_Cb在C_S2放电结束时，电压达到最大值，随后放电至V_dc，并最终保持恒定。

3.1 LPSSS电路的工作原理

    为了简化分析，以一组桥臂为例。该吸收电路每一个开关VT₁和VT₂都分别并联吸收电容C_s1、D_s1和C_s2、D_s2，能够有效减小dv/dt，实现了开关ZVS关断。吸收电容中的能量储存在电容C_b中，最终通过C_b和电感L_r1谐振将能量回馈到电源端。在一个开关周期内，A相负荷电流假设恒定不变。如图4所示，吸收电路的工作模态如下：

    模态1，t<t₀：VT₁处于导通状态，负荷电流i_load保持恒定且i_VT1=i_load，吸收电容C_s1上的电压为零。

    模态2，t₀<t<t₁：t₀时刻，VT₁关断而VT₂导通，i_VT1迅速下降至零。由于负荷电流不能突变，此时二极管D_s1导通，电容C_s1和C_b通过D_s1充电，C_s2进行放电。

    模态3，t₁<t<t₂：t₁时刻，电容C_s1充电至V_Cs1=V_dc，电容C_s2放电至0。

    模态4，t₂<t<t₃：寄生电感L_p(L_p1=L_p2)上的能量转移到电容C_b1上。在此模态中，V_Cb>U_d，能量回馈电路开始工作，将吸收的能量回馈到电源侧。二极管D₂处于导通状态，提供负荷电流i_load。

    模态5，t₃<t<t₄：t₃时刻，VT₂关断而VT₁导通，i_Lp开始增加，由于负荷电流保持恒定，所以D₂仍然处于导通状态，且提供一部分负荷电流。

    模态6，t₄<t<t₅：i_Lp继续增加，吸收电容C_s2通过L_p-C_s2-D_s2路径充电。C_s1开始把储存的能量转移到C_b1上。能量最终通过谐振电感L_r1和二极管D_r1和D_r2反馈到直流电源V_dc。在此模态的末端，C_s1放电至零，C_s2充电至V_dc。

3.2 仿真分析

    合理的设计和选择吸收电路的元件参数对于LPSSS电路的吸收效果是至关重要的。dv/dt和di/dt取决于吸收电容C_s，寄生电感L_p和负荷电流I_load的大小。当寄生电感L_p和吸收电容C_s发生谐振时，如模态2所示，dv/dt达到最大值，V_Cs1可表示为：

I_load为A相负荷电流，f_sw为开关频率。

    在实际工程应用中，由于寄生电感难以准确地估算，所以需要经过多次测试来确定。Saber仿真时，直流侧输入电压U_d=330 V，开关频率为f_sw=10 kHz。L_r=1 μF，寄生电感L_p1=L_p2=200 nF，C_S1=C_S2=0.1 μH，C_b=1 μH。

    图5所示为硬开关电路时VT₁关断时的电压波形(b)和负荷电流波形(a)。开关关断时，由于线路寄生电感L_p的存在，使得开关在关断时会产生一个很高的尖峰电压，并且随着负荷电流的增加，尖峰电压会增大，最大尖峰电压U_cep能够达到522 V，Δu=58.2%,超过了限定值15%。此外，在吸收电容放电时会产生一个由二极管的反向恢复特性引起的电压振荡。同时，关断电压上升速度过快，也会产生极大的关断损耗。

    图6所示为PWM全桥逆变器加入无损吸收电路后VT1关断时的电压波形。关断电压的峰值U_cep=349 V，Δu=5.8%，有效地限制在了15%以内。并且，吸收电路有效抑制了dv/dt，减小了开关关断时的电压振荡实，现了零电压关断，同时也有效地降低了开关关断时的损耗。

    图7所示为电容C_b的电压和二极管D_s1电流波形。电容C_b的电压u_Cb维持在330 V左右，且图中A部分说明了电容电压u_Cb和二极管电流i_Dr1在开关VT₁关断时过电压产生的波动，B部分说明了开关VT₁导通时吸收电容C_S1放电引起的波动。

5 总结

    本文在传统的RCD吸收电路的基础上，提出一种新型PWM逆变器LPSSS电路，并通过仿真验证了该电路的可行性。该吸收电路设计简单，既能降低开关关断时产生的尖峰电压，同时也能将吸收电容的能量转移到电源，提高了能量的转移效率，降低了电路对环境的要求。该LPSSS吸收电路适用于所有开关电源的上下桥臂开关管中，同时还能应用于单相或三相全桥电路，且不会增加输出电压电流的谐波含量，具有良好的工程实用性。

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