黄金亮，同向前，党超亮，尹军（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048）



可控直流电流源的缓冲电路设计与功耗对比研究

黄金亮，同向前，党超亮，尹军
（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048）

摘要：针对可调制直流电流源IGBT关断过电压问题，进行了缓冲电路设计。分析了RCD充放电型和RCD放电阻止型缓冲电路的工作原理，介绍了参数设计方法，并对两类吸收电路的损耗进行了量化分析比较。在额定电流200 A的可控直流电流源上进行了实验，结果表明：RCD放电阻止型缓冲电路损耗显著小于RCD充放电型缓冲电路，效率更高，体积更小，更适用于开关频率较高的场合。

关键词：缓冲电路；直流电流源；功率损耗

电力电子器件作为电力电子装置的核心器件，其能否安全工作直接影响装置的稳定性和可靠性。由于电力电子器件始终工作于开关状态，控制着功率流的通断，恶劣的电磁环境往往使其面临失效的挑战。过电压失效是电力电子器件失效的主要类型之一，而关断过电压是造成过电压失效的主要原因［1］。

大功率可调制直流电流源属于一种航空试验用的特种开关电源，输出一种特定脉动的直流电流，其脉动的波形可选、脉动频率连续可调。该电源采用BUCK电路，由于线路杂散电感的存在，在开关管关断瞬间会在开关管两端产生很高的关断过电压，严重时会导致开关器件失效［1-2］。

RCD缓冲电路是抑制开关器件关断过电压的有效措施［3-4］，可有效保护IGBT器件的工作安全。文献［5］分析了RCD充放电型吸收电路的原理和应用特点，在大电流装置中存在电阻损耗大的缺点。文献［6］提出了一种RCD放电阻止型缓冲电路，可显著降低电阻中的损耗。

本文针对大功率可调制直流电流源的特点，设计了一种RCD放电阻止型缓冲电路，并与RCD充放电型缓冲电路进行了试验对比研究，定量分析了两种缓冲电路在功耗方面的显著差异。理论分析与实验结果表明，RCD放电阻止型缓冲电路的功耗明显小于充放电型缓冲电路，体积更小、效率更高。

1　RCD缓冲电路的选择与设计

大功率可调制直流电流源的主电路结构如图1所示，它由AC-DC不控二极管整流电路和DC-DC直流调制电路两部分组成。AC-DC部分主要为DC-DC部分提供合适幅值并且相对稳定的直流电压，DC-DC部分完成输出电流脉动波形的控制，输出电流波形及其参数则由远方计算机通过串行通信进行设定。DC-DC电路为典型的BUCK电路，工作中IGBT受到关断过电压的侵扰。

图1　大功率可调制直流电流源原理框图Fig.1 Block diagram of controllable high power DC current source

RCD缓冲电路通常由限流电阻、吸收电容和快恢复二极管构成，是抑制IGBT关断过电压的有效措施。根据不同的主电路结构和应用场合，缓冲电路的形式多样、结构各异。针对图1所示电路，IGBT的缓冲电路可有RCD充放电型和RCD放电阻止型两类，如图2所示。

图2　RCD缓冲电路的结构Fig.2 Structure of RCD snubber circuit

1.1RCD充放电型缓冲电路

图2a为RCD充放电型缓冲电路，其中Cs为吸收电容，用于吸收开关管V关断时线路杂散电感Ls中储存的能量；限流电阻Rs为吸收电阻，用于限制Cs的放电电流和阻尼LC振荡；VDs为快恢复二极管，在Cs充电时旁路Rs，以便提升吸收效果。

在开关管的周期性的开关过程中，吸收电容不断地重复着充放电过程。在IGBT开通期间，电容通过电阻和IGBT形成放电回路并放电至零电压；当IGBT关断时，续流二极管开通，此时形成电源Udc—Ls—VDs—Cs—D—Udc的充电回路，当Cs充电到达到Udc时，由于杂散电感Ls继续释放能量，Cs电压继续上升，到达峰值up，此时Cs充电结束。由于up高于Udc，所以充电结束后Cs会再经由Cs—Rs—Ls—Udc—Cs放电，最终Cs两端电压等于Udc。这一过程如图3a所示，显然，在IGBT关断期间充电到电容中的能量在IGBT开通期间都消耗到了电阻上，导致电源效率低、电阻体积大、装置温度高。

1.2RCD放电阻止型缓冲电路

图2b为RCD放电阻止型缓冲电路，其特点在于吸收电容Cs经由Rs与直流电源并联，因此，Cs初始电压为Udc。在IGBT开通期间，不再通过IGBT形成RC放电回路，电容Cs保持初始电压Us直到IGBT关断时刻；当IGBT关断时，续流二极管D开通，此时形成电源Udc—Ls—Cs—VDs—D—Udc的充电回路，充电能量来自杂散电感上的储能，电容两端电压由Udc上升至Up，然后再经由Rs放电，最终又回到Udc。这一过程如图3b所示，显然，电阻上消耗的能量仅仅是杂散电感上储能的一部分，能耗大大降低。

图3　吸收电容及电阻上的电压波形Fig.3 Voltage waveforms of snubber capacitor and resistor

综上所述，RCD充放电型缓冲电路与RCD放电阻止型缓冲电路的缓冲原理相同，两种缓冲电路都是通过电容电压不能突变的原理来缓冲器件关断过电压，但是，与RCD充放电型缓冲电路相比，RCD放电阻止型缓冲电路省去Cs经由Rs和开关管放电的过程，这对装置的高频化和提高效率有一定促进意义。

1.3RCD参数设计

1.3.1吸收电容Cs

由图3可知，在IGBT关断期间，当杂散电感中的能量全部转移到电容时，电容电压达到峰值Up。设额定输出情况下IGBT关断前流过电感Ls的电流为IL，则电容电压达到峰值时有以下关系：

设IGBT的额定电压为UT.N，则电容电压峰值必须满足：

于是，电容须满足如下关系：

根据式（2），吸收电容耐压应不小于IGBT额定电压。

1.3.2吸收电阻Rs

对于RCD充放电型吸收电路，电阻Rs主要起限制IGBT开通时Cs的放电电流。设IGBT额定电流为IT.N，极端情况下电容峰值电压达到IGBT额定电压，则要求：

电阻Rs的取值还应满足电容器在IGBT最小占空比所对应的开通时间内放电完毕。设IGBT的开关频率为fs，最小开关占空比为λmin，若近似认为电容器经过6倍放电时间常数后放电完毕，则Rs还应满足以下关系：

对于RCD放电阻止型缓冲电路而言，Rs主要起阻尼LC振荡的作用，其取值可以略大于RCD充放电型吸收电路中的取值。

1.3.3二极管Ds

RCD缓冲电路的二极管应选择快恢复二极管，并与IGBT的开关频率相匹配。

2　RCD缓冲电路功耗分析

2.1理论分析

任何一种实际电路，都不可避免存在损耗。RCD缓冲电路的损耗主要体现在其吸收电阻的损耗上。由前述分析可知，RCD充放电型缓冲电路的吸收电阻Rs产生的功耗包括杂散电感Ls存储的能量和直流电源对电容Cs充电的能量。

若不考虑反馈回电源的能量和IGBT导通内阻时，一个开关周期内RCD充放电型缓冲电路的损耗，即吸收电阻Rs耗散的能量为式中：Ls为线路中杂散电感；IL为IGBT关断前流过Ls的电流；Udc为直流侧电压；Cs为吸收电容。

在同等条件下，RCD放电阻止型缓冲电路吸收电阻耗散的能量仅为

在Ls=1 μH，Cs=1 μF的条件下，表1给出了不同Udc和IL情况下，RCD放电阻止型缓冲电路功耗与RCD充放电型缓冲电路功耗之比。由表1可以看出，RCD放电阻止型缓冲电路功耗小于RCD充放电型缓冲电路，且随着直流电压的升高，其占RCD充放电型吸收电路损耗的百分比越小。

表1　放电阻止型与充放电型缓冲电路损耗之比Tab.1 The dissipation ratio of RCD clamped snubber circuit to normal RCD snubber circuit

降低缓冲电路损耗不仅可以提高电源效率，还可以使装置更加紧凑、吸收效果更好。通常，缓冲电路应该紧邻功率器件装设以便保证吸收性能［7］，电阻功耗减小的直接效果是电阻的体积更小，从而缓冲电路引线更短，也节约了功率器件的外围空间。

2.2电阻额定功率的选择

因开关管频繁的通断，缓冲电路中Rs承受的功率都是瞬时值，所以器件选型时Rs的额定功率难以确定。根据缓冲电路1个开关周期内吸收电阻的功耗对开关周期求平均来确定吸收电阻的功率。1个开关周期内吸收电阻耗散的能量已由式（6）、式（7）给出。

大功率可调制直流电流源IGBT开关频率fs= 5 kHz，Ls=0.2 μH，Cs=1 μF，Udc=75 V，RL=0.3 Ω。根据1个开关周期内能量守恒，计算流过寄生电感Ls的电流为

式中：Io为输出电流；λ为Io对应的占空比。

可调制电流源满载输出200 A，对应λ=0.9，由式（8），IL=178 A，代入式（6）得，W1=5.981 mJ，则RCD充放电型缓冲电路吸收电阻所需功率为

由式（7），W2=3.168 mJ，则RCD放电阻止型吸收电路吸收电阻所需功率为

当Io= 50 A时，对应λ= 0.225，计算可得RCD充放电型缓冲电路吸收电阻功耗P1=15 W，而放电阻止型缓冲电路吸收电阻功耗仅为P2=1 W。

由以上计算可以看出，不同负载电流下RCD放电阻止型缓冲电路电阻所需功率均小于充放电型缓冲电路，且开关频率会影响RCD缓冲电路电阻的功耗，开关频率越高，损耗越大。

3　实验验证

为了在同等条件下验证两类RCD缓冲电路的性能，器件选型相同：二极管采用IXYS公司DESI 2x101型快恢复二极管；吸收电容采用1 μF CBB电容，吸收电阻均为6.8 Ω/15 W金属铝壳电阻。在额定输出电流为200 A的可调制直流电流源上进行了实验验证，电流源开关器件为英飞凌公司FF450R06ME4型号IGBT，测试条件：电流源开关频率5 kHz，输出电流50 A。

图4为1个开关周期内充放电型缓冲电路吸收电阻上电压波形。上面波形为IGBT两端电压波形，下面为吸收电阻Rs上电压波形。IGBT开通时Cs经Rs放电，造成了电阻电压的第1个尖峰；IGBT关断后，由于Ls的能量转移到Cs导致Cs电压高于直流输入电压，Cs向直流侧电容放电，造成了电阻电压第2个尖峰，与理论分析相吻合。

图4　充放电型缓冲电路Rs电压Fig.4 Voltage waveforms on Rsin the normal RCD snubber circuit

图5为1个开关周期内放电阻止型缓冲电路吸收电阻上电压波形。IGBT开通前Cs电压等于Udc（见图3），IGBT开通瞬间，由于续流二极管有较大的反向恢复电流，再加上负载电流，导致Udc有较大跌落，此时Cs电压几乎全部加到了Rs上，造成了图中IGBT开通瞬间Rs两端较大的电压尖刺；第2个电压尖峰产生原因与充放电型相同。

图5　放电阻止型缓冲电路Rs电压Fig.5 Voltage waveforms on Rsin the RCD clamped snubber circuit

根据示波器读数，对实验结果进行一阶指数衰减拟合，计算1个周期内RCD充放电型吸收电路电阻消耗的能量为

式中：U1为图4所示第1个电压尖峰，读数为75 V；U2为第2个电压尖峰，读数为40 V。

同理，图5所示RCD放电阻止型吸收电路电阻消耗的能量为

U3为图7所示电压尖峰，读数为30 V。计算得：

即RCD放电阻止型缓冲电路电阻消耗的能量仅为RCD充放电型缓冲电路电阻消耗能量的12.46%。

图6与图7分别为采用充放电型与放电阻止

图6　RCD充放电型IGBT两端电压Fig.6 Voltage across the IGBT with normal RCD snubber circuit

图7　RCD放电阻止型IGBT两端电压Fig.7 Voltage across the IGBT with RCD clamped snubber circuit

型RCD缓冲电路后，IGBT承受的电压波形。由实验结果可以看出，两种缓冲电路吸收效果相当，但RCD放电阻止型吸收电路关断时间更短，更适用于开关频率较高的场合。

4　结论

在分析了RCD充放电型和RCD放电阻止型两类缓冲电路的工作原理和参数选择的基础上，着重比较研究了两类缓冲电路的功率损耗，并给出了不同直流电压和电流时放电阻止型缓冲电路损耗与充放电型缓冲电路损耗的比例关系。在额定输出电流200 A的直流电流源上进行了实验验证，结果表明：放电阻止型RCD缓冲电路功耗显著小于RCD充放电型缓冲电路，而且关断过程更短，更适用于开关频率较高的场合。

参考文献

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修改稿日期：2015-07-02

Design and Dissipation Study of Snubber Circuit in Controllable DC Current Source

HUANG Jinliang，TONG Xiangqian，DANG Chaoliang，YIN Jun
（College of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

Abstract:Aiming to reduce the turn-off over voltage of IGBT in DC current source, the snubber circuit was designed. The operating principles of both normal RCD snubber circuit and RCD clamped snubber circuit were analyzed in detail. The parameter design method was introduced. The dissipation of these two kinds of snubber circuits was compared in emphasis. Experiment was performed on a controllable DC current source of 200 A output current. Experimental result proves that the dissipation of RCD clamped snubber circuit is significantly less than the normal RCD snubber circuit, has higher effiency，needs smaller space, and more suitable for higher frequency application.

Key words:snubber circuit；DC current source；power loss

收稿日期：2015-01-27

作者简介：黄金亮（1991-），男，硕士研究生，Email：529742914@qq.com

中图分类号：TN711

文献标识码：A