开关磁阻电机功率变换器IGBT关断电压尖峰的分析与抑制
大容量IGBT逆变器的开关瞬态电压抑制
大容量IGBT逆变器的开关瞬态电压抑制
张宗桐;宋高升
【期刊名称】《电气传动自动化》
【年(卷),期】1998(020)004
【摘要】简单讨论了开关瞬态电压产生的原因，并提出减少功率电路分布电感以及降低开关瞬态电压的方法和适用于大容量ＩＧＢＴ逆变电路的缓冲电路设计。
【总页数】4页(P20-23)
【作者】张宗桐;宋高升
【作者单位】上海铁道大学;上海铁道大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM464
【相关文献】
1.开关磁阻电机功率变换器IGBT关断电压尖峰的分析与抑制 [J], 丁小刚;程晶晶;
2.电压软开关电流磁环检测IGBT弧焊逆变器 [J], 朱贤龙;严仰光
3.基于IGBT的电压型逆变器辅助开关电源的设计 [J], 邱进;陈轩恕;刘飞;张冰;何妍
4.高压大容量五电平逆变器共模电压抑制研究 [J], 郭小强;贺冉;张纯江
5.基于大功率逆变器IGBT开关瞬态电压、电流波形的杂散参数抽取方法 [J], 陈材;陈宇;裴雪军;康勇
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开关电源常见尖峰的产生原因和抑制方法
开关电源的尖峰干扰及其抑制电源纹波会干扰电子设备的正常工作，引起诸如计算机死机、数据处理出错及控制系统失灵等故障，给生产和科研酿成难以估量的损失，因此必须采取措施加以抑制。
产生尖峰的原因很多，以下着重说明滤波电路对二极管反向恢复时间所产生的纹波尖峰加以分析，并总结出几种有效的抑制措施。
2滤波电路为减小电源尖峰干扰需要在电源进线端和电源输出线端分别加入滤波电路。
2.1电源进线端滤波器在电源进线端通常采用如图1所示电路。
该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用：（1）L1,L2,C1用于滤除差模干扰信号。
L1,L2磁芯面积不宜太小，以免饱和。
电感量几毫亨至几十毫亨。
C1为电源跨接电容，又称X电容。
用陶瓷电容或聚脂薄膜电容效果更好。
电容量取0.22μF～0.47μF。
（2）L3，L4，C2，C3用于滤除共模干扰信号。
L3，L4要求圈数相同，一般取10，电感量2mH左右。
C2，C3为旁路电容，又称Y电容。
电容量要求2200pF左右。
电容量过大，影响设备的绝缘性能。
在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈。
电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通。
故对差模信号电感L3、L4不起作用（见图2），但对于相线与地线间共模信号，呈现为一个大电感。
其等效电路如图3所示。
由等效电路知：令L1=L2=M=L，UN=RCI1同时RC RL，则：图1电源进线端滤波电路(1)一般ωL RL，则：。
式（1）表明，对共模信号Ug而言，共模电感呈现很大的阻抗。
2.2输出端滤波器输出端滤波器大都采用LC滤波电路。
其元件选择一般资料中均有。
为进一步降低纹波，需加入二次LC滤波电路。
LC滤波电路中L值不宜过大，以免引起自激，电感线圈一般以1～2匝为宜。
电容宜采用多只并联的方法，以降低等效串联电阻。
同时采样回路中要加入RC前馈采样网络。
图2共模电感对差模信号不起作用如果加入滤波器后，效果仍不理想，则要详细检查公共地线的长度、线径是否合适。
开关磁阻电机功率变换器IGBT关断电压尖峰的分析与抑制
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大，所以需要进一步改进。
图 4 两种功率器件模块的原理图
机电元件
2012 年
部分组成： 两块铜排磁通自交链产生的内电感 Li
以及磁通穿过两块铜排包围面积所造成的外电感 Le。内部电感为［6］：
所以，主电路的结构设计和叠层母排的设计以 及利用有源嵌位的驱动电路，可以使 IGBT 关断时 产生的尖峰电压变得很小，有利于保护 IGBT。
图 12 IGBT 关断时的 VCE 试验波形
4结论
本文从影响 IGBT 关断时的尖峰电压的两个因 数出发，在结构上利用多组电解电容，使电解电容 与功率模块所组成的换流面积基本为 0，即磁场环 路很小，再加上使用叠层母排使正负电流进一步抵 消磁场，大大减小主电路中的杂散电感。在驱动上 使用有源嵌位技术驱动，使 IGBT 在关断时的集电
压，uovershoot 是尖峰电压。
u overshoot
=
Lstray
×
di dt
（ 2）
式中，Lstray 包括主电路母排上的电感 L1 和 L2 和功率器件和电解电容内部的电感。
3 尖峰电压的抑制
由公式 （ 2） 可知，影响尖峰电压有两个方面 因素，即电路的杂散电感和关断 IGBT 时电流的变 化率。
表 1 叠层母排的参数
l 340mm
w 326mm
d 0． 5mm
t 1． 5mm
利用公式 （ 3） 和 （ 4） 可以得到整个电路叠 层母排的杂散电感为 84nH，功率模块使用英飞凌 FF1000R17IE4 模块，内部的杂散电感为 10nH，主 电路使用六个功率模块。每个电解电容的杂散电感 为 15nH。
简述抑制尖峰电压的若干方法
简述抑制尖峰电压的若干方法前言为了增加电源功率的密度，务必采用将双极晶体管吸收电路高频化的手段。
电容器电源中的開关器件的安全是一个很重要的问题，为了保证它的安全。
务必采用以串联谐振式所组成的电容器，并以它的充电电源为基础。
本文研究了影响IGBT的因素，并研究了对于尖峰电压的取值。
本文首先介绍了尖峰电压的简单产生机理，随后对抑制尖峰电压的几种方法做了简单描述，然后简单介绍了吸收电路，最后介绍了吸收电路的基本的工作思路。
1.尖峰电压产生机理对于高频电容器来说，它的充电电源有很多种，串联谐振式的结构构架是最主要的一种，它的结构如图1所示，开关器件往往选用的是高频模块IGBT，它的具体过程为：2.抑制尖峰电压的方法尖峰电压在逆变回路中的产生有两个很主要的原因，一个是存在一定的杂散电感Ls，再者就是主回路中的电流变化的迅速。
在高频电源中，开关的开通速度往往需要得到提高才行，而IGBT的开通速度与电流的变化速度有很大的关系。
因此，为了保证电路正常工作，由开始的分析可知杂散电感必须最大程度的减少，并且必须利用吸收电路的作用来最大可能的降低IGBT的尖峰电压和对尖峰电压抑制。
2.1减小杂散电感为了有效的减少主回路中的杂散电感，有两种方式可以采用。
第一种是采用同轴电缆，但是电感必须要小。
另一个是采用将回路通过正负母排上下叠放的方式连接起来。
根据我们所学的知识可知，在两根平行导线上通上一种相反方向而且大小等大的电流，并且在它们离的很近时，此时就会产生的磁场，但是两者的磁场可以相互抵消。
如此一来，从理论上来说，电感就为0了。
2.2采用吸收电路电流在回路中通过的是很大的，而且开通速度比较快这个特点往往是一些较大功率充电电源所具有的特点。
由于主回路中的杂散电感的存在，尖峰电压会感应出来，当较大时为了抑制电压的峰值，就必须利用外加吸收电路的相应功能来实现，因此我们有三种主要的电路形式。
第1种是在正负的两端加上一个电容，对于小功率、低成本的逆变器，这种方式都很适用。
开关磁阻电机功率变换器IGBT关断电压尖峰的分析与抑制
Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ的尖 峰电压 主要 发生 在 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ关 断的时候 ， 对关 收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ５ — １ ０
１功率变换器 关断尖峰 电压的分析
２ ０ １ ４ 年 第１ 期 ・熏掇权 瘟闻 ｌ ５ ９
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研 究与设 计 Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ＆ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ＆ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ研 究 与 设 计 鬻 溅 溺 粼 鞭
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开关磁阻电机功率变换器 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 关断电压尖峰 的分析 与抑制
丁 小刚 ， 程 晶 晶
（ 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐 州 ２ ２ １ ０ ０ ８ ）
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈｅ ｄ Ｒｅ ｌ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ； Ｐｏ ｗｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｖｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ；Ｓ ｐ ｉ ｋ ｅ ｖ ｏｌ ｔ ａ ｇ ｅ ； Ａｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｌ ａ ｍｐ
关于开关电源中抑制开关管DS电压尖峰的研究分析
关于开关电源中抑制开关管DS电压尖峰的研究分析关于开关电源中抑制开关管DS 电压尖峰的研究分析在开关电源的设计试验中，设计者通常希望能将电路的损耗降到最低，而损耗中很重要的一部分来自于开关管的开关损耗。
开关管开关时电压和电流的重叠是开关损耗的主要成因。
在含有变压器的开关电源中，由于变压器漏感的影响，开关管的开通损耗一般都比较小；在导通瞬间，变压器漏感很大的导通阻抗使开关管两端电压迅速下降到零，并减缓了电流的上升速率，即开关管导通时电流上升的大部分时间内开关管的DS 电压基本为零，所以其导通损耗可以忽略，也就是说，开关损耗主要来源于开关管关断时的损耗。
我们经常会遇到开关管在关断的瞬间其DS 电压会出现瞬间高压值，即电压尖峰，该电压尖峰在使用不同的开关管时，形成的原因也会不同，但笔者认为其原因不外乎以下两种：一是开关管关断时变压器初级的漏感尖峰电压；二是由于开关管内部的杂散寄生电感和电容，在其关断时产生的电压浪涌。
对于整流二极管而言，其截至时的反向恢复电流也会产生电流浪涌和电压浪涌。
电压尖峰的存在会影响电路的稳定性，可能会产生EMI 问题及电路产生噪声，严重时电压尖峰可能会超出开关管的规格要求，导致开关元件的损坏，所以设计者一般会采用吸收电路来降低电压尖峰同时降低其开关损耗。
这些吸收电路的原理就是在开关断开时为开关提供旁路，以吸收蓄积在杂散寄生电感和漏感中的能量，并使开关电压被钳位从而抑制浪涌电流。
常见的吸收电路有RC 吸收电路、LC 吸收电路RCD 吸收电路。
现对其中的RCD 吸收电路和RC 吸收电路做一整理总结。
1、 RCD 吸收电路RCD 吸收电路的原理图如下图所示，其构成为电容Cs 与电阻Rs 并联后与二极管VDs 串联后并联在开关管的两端。
其工作原理为：当开关管关断瞬间，变压器初级漏感和开关管杂散寄生电感中存储的能量将会在给开关管寄生电容充电，其电压上升到吸收电容的电压时，吸收二极管导通，从而使开关电压被二极管所钳位，同时漏感和寄生电感中储存的能量也向吸收电容充电。
IGBT模块应用中过电压的抑制
IGBT模块应用中过电压的抑制孙国印(洛阳单晶硅有限责任公司,洛阳 471000) 摘要:寄生杂散电感会使超快速IG B T关断时产生过电压尖峰,通常抑制过电压的方法会增加IG B T开关损耗或外围器件的耗散功率。
介绍了有效抑制IG B T关断中过电压的新方法。
关键词:模块;绝缘栅双极晶体管;过电压/开关损耗;寄生电感中图分类号:TN31/387 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2002)04-0073-02Over2voltage Suppression in Application of IGBT ModuleSUN Guo2yin(L uoyang S ingle Crystal S ilicon Com pany,L uoyang471000,China) Abstract:Random2existed parasite inductances in IG B T circuit will make over voltage spike during the IG B T tun2off transient.Supressing the voltage spike is often at the expense of increasing power losses of devices in the circuit.In order to compromise these two tendences,a new method to o ptimize the circuit design and its applying result are described detailly.K eyw ords:module;IG B T;over2voltage;switching loss;parasite inductance1 引 言超快速IG B T模块具有非常短的上升时间和下降时间,其开关损耗亦很小,通常用于频率为20kHz 以上的开关电源。
开关电源的尖峰处理及其抑制方法
开关电源的尖峰处理及其抑制方法电源纹波会干扰电子设备的正常工作，引起诸如计算机死机、数据处理出错及控制系统失灵等故障，给生产和科研酿成难以估量的损失，因此必须采取措施加以抑制。
产生尖峰的原因很多，以下着重说明滤波电路对二极管反向恢复时间所产生的纹波尖峰加以分析，并总结出几种有效的抑制措施。
2滤波电路为减小电源尖峰干扰需要在电源进线端和电源输出线端分别加入滤波电路。
2.1电源进线端滤波器在电源进线端通常采用如图1所示电路。
该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用：（1）L1,L2,C1用于滤除差模干扰信号。
L1,L2磁芯面积不宜太小，以免饱和。
电感量几毫亨至几十毫亨。
C1为电源跨接电容，又称X电容。
用陶瓷电容或聚脂薄膜电容效果更好。
电容量取0.22μF～0.47μF。
（2）L3，L4，C2，C3用于滤除共模干扰信号。
L3，L4要求圈数相同，一般取10，电感量2mH左右。
C2，C3为旁路电容，又称Y电容。
电容量要求2200pF左右。
电容量过大，影响设备的绝缘性能。
在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈。
电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通。
故对差模信号电感L3、L4不起作用（见图2），但对于相线与地线间共模信号，呈现为一个大电感。
其等效电路如图3所示。
由等效电路知：令L1=L2=M=L，UN=RCI1同时RC RL，则：图1电源进线端滤波电路(1)一般ωL RL，则：。
式（1）表明，对共模信号Ug而言，共模电感呈现很大的阻抗。
2.2输出端滤波器输出端滤波器大都采用LC滤波电路。
其元件选择一般资料中均有。
为进一步降低纹波，需加入二次LC滤波电路。
LC滤波电路中L值不宜过大，以免引起自激，电感线圈一般以1～2匝为宜。
电容宜采用多只并联的方法，以降低等效串联电阻。
同时采样回路中要加入RC前馈采样网络。
图2共模电感对差模信号不起作用如果加入滤波器后，效果仍不理想，则要详细检查公共地线的长度、线径是否合适。
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开 关 磁 阻 电机 功 率 变 换 器 Ｉ Ｔ ＧＢ
关 断 电压 尖 峰 的分 析 与抑 制
丁 小刚 。程 晶 晶
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（ 中国矿业 大 学信 电学院 ，江 苏 徐 州 ，２ １０ ） ２０８
摘要 ：本文针对开 关磁 阻电机 （ Ｒ Ｓ Ｍ）功率变换器 中的 ＩＢ Ｇ Ｔ在关 断时出现的尖峰 电压进行 了分析 ，就如何 抑制 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ关断尖峰 电压提 出了解决方法 ，并分别从 减小主电路杂散 电感和减 小 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ关断时电流 的变化率 两个 方面出发 ，在 结构上使 用多组 电解 电容和 叠层母排 ，以便减 小换 流回路 ，从 而减 小杂散 电感。在驱 动方 面使 用 有 源嵌位技术 ，减 小 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ关断时的电流变化率。 关键词 ：开关磁 阻；功率 变换 器；尖峰 电压 ；有源嵌位
ｓ ｐ ｒ ｓ ＧＢ ｕ ｎ —ｏｆｖ ｌ ｇ ｐ ｋ ．Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ａ ｅ ｎ ｒ ｄ ｃ ｎ ｔａ ｄ ｃ ａ ｃ ｆ ｉ ｉ ｕ ｔａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｔ ｕ ｐ ｅ ｓＩ Ｔ ｔ ｒ ｆ ｏｔ ｅ ｓ ｉ ｅ ｈ ａ ｅ ，ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｕ ｉ ｇ ｓ ｙ ｉ ｕ ｔｎ ｅ ｏ ｎ ｃｒ ｉ ｎ ｈ ａ ｅ ａ ｒ ｎ ｍａ ｃ ｏ ｈ ｎ ｅｏ ｅｃ ｌ ｃｏ ｕｒｎ ｔ Ｇ Ｔ ｔｒ ｆｃ ａ ｇ ｆｔ ｏｌ ｔｒｃ ｒｅ ｔ Ｂ ｕ ｎ—ｏ ｏｔ ｇ ｐ ｋ ，ｄ ｓ ｕ ｓ ｓｕ ｉ ｇ ｍｕ ｉ ｌ ｅｓ ｏ ｌ ｃｒ ｌｔ ａ ｈ ｅ ａ Ｉ ｆ ｖ ｌ ｅ ｓ ｉ ｅ ｉ ｓ ｅ ｓｎ ｈ ｐｅ ｓ ｔ ｆｅｅ ｔ ｙｉ ｃ — ａ ｃ ｏ ｃ ｐ ｃｔ ｒ ｎ ａ ｎ ｔ ｄ ｂ ｓ ｂ ｒｉ ｈ ｔ ｃ ｕ ｅ ｉ ｒ ｅ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅ ｃ ｍｍｕ ａ ｉｎ ｃｒ ｕ ｔ ｎ ｈ ｔ ｙ ｉ ｄ ｃ ａ ｃ ａ ｉ ｓ ａ ｄ ｌ ｍｉ ａｅ ｕ ａ ｔ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｒ ｄ ｃ ｈ ｏ ｏ ｎ ｕ ｏ ｔ ｔ ｉｃ ｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｓｒ ｎ ｕ ｔｎ ｅ ｏ ａ
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压 ， 一 ｂ 。 是尖 峰 电压 。
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中 图分 类 号 ：Ｔ ９ Ｍ２
文 献 标 识 码 ：Ａ
文章 编 号 ：１０ ６ ３ （０ ２ ０ ０ ３ ０ ００— １３ ２ １ ） １— ０ ６— ５
ｌ ｃｏ ｕ ｒ ｎ ． ｅ ｔｒ ｃ ｒｅ ｔ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：ｓ ｔｈ ｄ ｒ ｌ ｃ ａ ｃ ｗｉ ｅ ｅｕ ｔｎ ｅ；ｐ ｗｅ ｏ ｖ ｒｅ ；ｓ ｉ ｅ ｖ ｌａ ｅ；ａ ｔｖ ｌｍｐ ｃ ｏ ｒｃ ｎ ｅｔ ｒ ｐ ｋ ｏ ｔｇ ｃ ｉｅ ｃ ａ
引 言
Ａｎ ｌ ｓｓａ ｄ ｓ ｐ ｅ ｓｎ ｆ Ｉ ａ ￣ ｉ ｎ ｕ ｒ ｓ ｉ ｇ ｏ ＧＢＴ ｙ＂ ｐ ｌ Ｏ ｔ ｔ ｎ ・ ｏ ｏ ｔ ｇ ｐ ｋ ｆｐｏ ｒ ｃ ｎ ｅ ｔ ｒ ｕｒ ・ ｆ ｖ ｌａ ｅ ｓ ｉ ｅ ｏ ｗｅ ｏ ｖ ｒ ｅ －
Ｄ ＮＧ Ｘ ａ ｇ ｎ ，Ｃ ＮＧ Ｊｎ ｊ ｇ Ｉ ｉｏ— ａ ｇ ＨＥ ｉｇ— ｉ ｎ （ ｃ ｏｌ ｆ ｎｏｍ ｔ ｎａｄＥｅｔｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇｏ Ｃ Ｍ Ｘ ｚｏ ｉｎｓ ２ ０ ８ Ｓ ｈｏ ｏ Ｉｆ ａ ｏ ｎ ｌｃ ａ Ｅ ｇｎｅｉ ｆ Ｕ Ｔ， ｕｈｕＪ ｇｕ２ １０ ） ｒ ｉ ｉ ｒ ｎ ａ
开关磁阻电机调速系统 （Ｓ Ｍ）因结构简单 、 Ｒ
坚 固 ，以及 电力 电子技 术 和控制 技术 的大力 发展 得
到了迅速发展 。功率变换器是开关磁阻电机调速系
统 的关键 部 分 ，在 大 功 率 功率 变 换 器 中 ，Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ安
全稳定的工作对整个系统起着极其重要的作用 。由
于 ＩＢ Ｇ Ｔ关 断 的时候 电流 变 化率 很 大 ，会 因 为 主 电
收稿 日期 ：０ １—１ ２ ２１ １— ６
第１ 期
丁小刚等 ： 开关磁阻 电机功率变换器 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ关断电压尖峰的分析与抑制
路 中存在的杂散 电感 ，导致 ＩＢ Ｇ Ｔ在关断的时候有 很大的尖峰 电压 ，容易损坏 ＩＢ 。所以 ，为 了使 ＧＴ
功 率变 换器 能够 正 常稳 定 地 运行 ，需 要 对 ＩＢ Ｇ Ｔ关 断尖 峰 电压 进行 分析 和抑 制 。