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1、 緩沖電路的作用與基本類型 電力電子器件的緩沖電路(snubber circuit)又稱吸收電路，它是電力電子器件的一種重要的保護電路，不僅用于半控型器件的保護，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的應用技術中起著重要的作用。 晶閘管開通時，為了防止過大的電流上升率而燒壞器件，往往在主電路中串入一個扼流電感，以限制過大的di/dt，串聯電感及其配件組成了開通緩沖電路，或稱串聯緩沖電路。晶閘管關斷時，電源|穩壓器電壓突加在管子上，為了抑制瞬時過電壓和過大的電壓上升率，以防止晶閘管內部流過過大的結電容電流而誤觸發，需要在晶閘管的兩端并聯一個RC網絡，構成關斷緩沖電路，或稱并聯緩沖電路。 GTR、GTO等全控型自關斷器件在實際使用中都必須配用開通和關斷緩沖電路；但其作用與晶閘管的緩沖電路有所不同，電路結構也有差別。主要原因是全控型器件的工作頻率要比晶閘管高得多，因此開通與關斷損耗是影響這種開關器件正常運行的重要因素之一。例如，GTR在動態開關過程中易產生二次擊穿的現象，這種現象又與開關損耗直接相關。所以減少全控器件的開關損耗至關重要，緩沖電路的主要作用正是如此，也就是說GTR和功率MOSFET用緩沖電路抑制di/dt和du/dt，主要是為了改變器件的開關軌跡，使開關損耗減少，進而使器件可靠地運行。 圖1(a)是沒有緩沖電路時GTR開關過程中集電極電壓uCE和集電極電流iC的波形，由圖可見開通和關斷過程中都存在uCE和iC同時達到最大值的時刻；因此出現了瞬時的最大開關損耗功率Pon和Poff，從而危及器件的安全。所以，應采用開通和關斷緩沖電路，抑制開通時的di/dt，降低關斷時的du/dt，使uCE和iC的最大值不會同時出現。 圖1(b)是GTR開關過程中的uCE和iC的軌跡，其中軌跡1和2是沒有緩沖電路的情況，開通時uCE由UCC（電源電壓）經矩形軌跡降到0，相應地iC由0升到ICM；關斷時iC由ICM經矩形軌跡降到0，相應地uCE由0升高到UCC。不但集電極電壓和電流的最大值同時出現，而且電壓和電流都有超調現象，這種情況下瞬時功耗很大，極易產生局部熱點，導致GTR的二次擊穿而損壞。加上緩沖電路后，uCE和iC的開通與關斷軌跡分別如3和4所示，由圖可見，其軌跡不再是矩形，避免了兩者同時出現最大值的情況，大大降低了開關損耗，并且最大程度地利用于GTR的電氣性能。 
GTR的開通緩沖電路用來限制導通時的di/dt，以免發生元件的過熱點，而且它在GTR逆變器中還起著抑制貫穿短路電流的峰值及其di/dt的作用。GTO的關斷緩沖電路不僅為限制GTO關斷時再加電壓的du/dt及過電壓，而且對降低GTO的關斷損耗，使GTO發揮應有的關斷能力，充分發揮它的負荷能力起重要作用。 IGBT的緩沖電路功能更側重于開關過程中過電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達30~50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的LdiC/dt，從而產生過電壓，危及IGBT的安全。圖2(a)和圖2(b)是PWM逆變器中IGBT在關斷和開通中的uCE和iC波形。由圖2(a)可見，在iC下降過程中IGBT上出現了過電壓，其值為電源電壓UCC和LdiC/dt兩者的疊加。
圖2(b)為開通時的uCE和iC波形，圖中增長極快的iC出現了過電流尖峰iCP，當iCP回落到穩定值時，過大的電流下降率同樣會引起元件上的過電壓而須加以吸收（如圖所示）。逆變器中IGBT開通時出現尖峰電流，其原因是由于在剛導通的IGBT負載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯的續流二極管的反向恢復電流，所以在此二極管恢復阻斷前，剛導通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使iC出現尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯緩沖電路，或放大IGBT的容量。 綜上所述，緩沖電路對于工作頻率高的自關斷器件，通過限壓、限流、抑制di/dt和du/dt，把開關損耗從器件內部轉移到緩沖電路中去，然后再消耗到緩沖電路的電阻上，或者由緩沖電路設法再反饋到電源中去。此緩沖電路可分為兩在類，前一種是能耗型緩沖電路，后一種是反饋型緩沖電路。能耗型緩沖電路簡單，在電力電子器件的容量不太大，工作頻率也不太高的場合下，這種電路應用很廣泛。 2、 緩沖電路的基本結構 緩沖電路的功能包括抑制和吸收二個方面。圖3(a)是這種電路的基本結構，串聯的LS用于抑制di/dt的過量，并聯的CS通過快速二極管DS充電，吸收器件上出現的過電壓能量，由于電容電壓不會躍變，限制了重加du/dt。當器件開通時CS上的能量經RS泄放。對于工作頻率較高、容量較小的裝置，為了減少損耗，可將圖3(a)的RLCD電路簡化為圖3(b)的形式。這種由RCD網絡構成的緩沖電路普遍用于GTR、GTO、電力MOSFET及IGBT等電力電子器件的保護。
圖4所示的幾種緩沖電路是上述基本RCD緩沖電路的簡化或演變。如圖4所示，既可用于逆變器中IGBT模塊的保護，也適用于其他電子器件的緩沖保護；但其性能有所不同。圖4(a)是最簡單的單電容電路，適用于小容量的IGBT模塊（10~50A）或其他容量較小的器件；但由于電路中有無阻尼元件，容易產生振蕩，為此CS中可串入RS加以抑制，這種RC緩沖電路在晶閘管的保護中已用得很普遍。圖4(b)是把RCD緩沖電路用于由兩只IGBT組成橋臂的模塊上，此電路比較簡單；但吸收功能較單獨使用RCD時略差，多用于小容量元件的逆變器橋臂上。有時還可以把圖4(a)、圖4(b)兩種緩沖電路并聯使用，以增強緩沖吸收的功能。圖4(c)是RS交叉連結的緩沖電路，當器件開斷時，CS經DS充電，抑制du/dt；當器件開通前，CS經電源和RS釋入電荷，同時有部分能量得到反饋，這種電路對大容量的器件，例如，400A以上的IGBT模塊比較適合。
圖4(d)是大功率GTO逆變橋臂上的非對稱RLCD緩沖電路。圖4(d)中電感受LS經過DS和RS釋放磁場能量。GTO開斷時，CS經DS吸收能量并經RS把部分能量反饋到電網上去；因此損耗較小，適用于大容量的GTO逆變器。圖4(c)和圖4(d)的功能類似，其CS具有吸收電能和電壓箝位雙重功能，且效率較高。 圖4(e)是三角形吸收電路，這里吸收電容C1~C3為三角形聯結，在T1關斷時，并聯在T1兩端的總吸收電容量C3和C2串聯再和C1并聯后組成，即總電容量是 。這種電路的特點是：①3只電容器之間幾乎不需要連結線，所以寄生電感極��；②在電力電子器件工作過程中每只電容器都參予工作，電容器利用率高；③電路的損耗較小，日立公司曾在一定的條件下進行試驗比較，這種電路的損耗約為RCD電路損耗的40%，因此我國研制中的CTO交流傳動電力機車逆變器也采用這種電路，其GTO的規格為3000A、4500V，吸收電容量為C1=C2=C3=18μF。
緩沖電路引線中的雜散電感L’S必須限制到最小，以防止電力電子器件在關斷時出現電壓尖峰，并消除雜散電感與緩沖電路中CS構成諧振回路所產生的振蕩。圖5是以電感性負載中的GTO的緩沖電路為例，說明雜散電感L’S對關斷過程中陽極電壓產生尖峰電壓UP的影響。在陽極電流迅速下降時，隨著CS快速充電，L’S上所產生的L’SdiS/dt電勢加在GTO上；故L’S越大，UP越大，管耗Poff也越嚴重。此外，在感性負載下陽極電流下降率diA/dt與緩沖電路中的電流上升率diS/dt相等，故負載電流越大，下降越快，L’SdiS/d也越大，同樣會產生嚴重后果。所以緩沖電路中的R、C、D等元件也力求采用無感元件。 |
