高频电容器充电电源绝缘栅双极晶体管吸收电路设计

段恒利

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。这种方法对于尖峰电压的抑制，一般都能满足要求。但是电阻不能消耗掉能量，这是一个缺点。另外对于一些较大功率的逆变器，在它回路一般都存在很大的杂散电感，这种振荡回路将会大大的增加损耗的原因是由杂散电感和吸收电容构成的。

第2种吸收电路增加了一个恢复速度很快的二极管，并且是在第一种吸收电路基础之上的。对前者来说，由于电容会吸收一些能量，因此它的作用就是消耗掉能量。后者是为了对震荡进行阻止，这种震荡是电容与回路中电感共同作用产生的。这种电路较好地解决了第1种电路的缺点，较好的控制了尖峰电压以及震荡回路的问题。同一套设备被两个功率管使用，这样就大大节约了成本。但同样也带来了缺点，如造成吸收电容的放电周期减半等问题。

第3种吸收电路最好，它是一种重新改进过后的一种形式，而且是在前两种电路的基础上升级过的吸收电路。对于每一个单独的开关，都是各自独立的使用一套电路。对于一些场电路来说，特别是对存在高频和大功率的电路来说，第三种吸收电路较第二种更加适合，这是因为吸收电容增加了很多的放电时间。

3.吸收电路的概述和基本要求

3.1吸收电路的概述

主要由电阻、二极管以及电容组成。为了减少开关管上的电压的应力、还有减少EMI，使其在适当的范围工作，并且不发生二次击穿，吸收电路常和开关管或二极管（包括整流二极管）并接在一起。通常，对于电子电力装置来说，它其中的电力电子器件都是在开关状态下才工作，同时器件的开通和关断也都是连续完成的，并不是瞬时完成的。在器件才刚刚开通的时候，如果一开始器件的电流就上升的很快，就会使得开通损耗很大，这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断的时候，器件还是具有很大的电流，这个时候器件所能承受的电压能力如果迅速上升，必定会造成很大的关断损耗。开关损耗不仅会造成器件的温度升高甚至毁坏，甚至会导致功率晶体管的二次击穿。

3.2吸收电路的基本工作思路

为了抑制器件的电流的上升率可以利用电感电流不能突变的特性来控制；电容电压具有不能突变的特性，用这一特性可以来对器件的电压的上升率进行抑制，这就是缓冲电路的基本工作原理。GTO是一种简单的缓冲电路。为了保证能够抑制当GTO关断时，端电压的上升率dV/dt，电路中的电容C和二极管D就组成关断的吸收电路，电路中的电阻的任务是给电容C提供放电通路。为了保证不同的器件和不同的电路都有对应的方式，缓冲电路的形式有多种。

4.结束语

在高频大功率电容器充电电源中，因为存在尖峰电压，如果不限制它，开关器件就会被损坏，因此务必加上吸收电路。电路参数的选择也是一个很重要的方面，需要考虑的因素很多：为了保证适应冲击功率的影响，对电阻功率的选取也是很严格的，要选取合适的参数；除此之外，还有一个很重要的参数是影响电阻功率损耗和尖峰电压的，它就是电路中二极管的开通时间，所以此因素应当考虑。

（作者单位：四川工商学院）