基于Matlab的吸收电路对IGBT电路功耗影响的研究

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（太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024）

1 引言

在实际高工作频率的IGBT电路中，吸收电路作为关键部分之一，主要为了抑制电路突波现象，吸收对IGBT模块产生的过电压，提高电路的可靠性。在现有的文献中，讨论了许多不同的吸收电路拓扑结构［1-3］，但大多数是从吸收电路的工作原理方面并结合IGBT开关波形来分析，也有一些是从多目标优化设计的方面来进行分析［4］，而对于其吸收电路在实际电路中对IGBT电路功耗影响的研究却很少。特别当电路中IGBT开关数较多时，例如在采用无源缓冲法的串联IGBT的均压控制电路中［5］，研究吸收电路对IGBT电路功耗的影响将显得尤为重要。针对这一情况，本文利用Matlab软件来对6种常见的IGBT吸收电路分别工作在不同电流等级情况下的IGBT电路进行参数仿真，并对仿真结果进行计算和分析，为设计高效的吸收电路提供理论依据。

2 常见的6种IGBT吸收电路

IGBT吸收电路一般分为：无源有损吸收电路和无源无损吸收电路，其中无源有损电路分为充放电型和放电阻止型两种。充放电型有C吸收电路、RC吸收电路、RCD吸收电路。放电阻止型有放电阻止型RCD吸收电路A。无源无损电路有CD2吸收电路和LCD2吸收电路。

充放电型吸收电路如图1所示。

图1 充放电型吸收电路Fig.1 Charge-dischange absorber circuit

放电阻止型吸收电路和无源无损吸收电路如图2所示。

图2 RCD吸收电路A和CD2，LCD2吸收电路Fig.2 RCD absorber circuit A and CD2，LCD2absorber circuit

3 IGBT电路的功耗计算

3.1 IGBT模块的功耗计算

IGBT在开关状态下，器件产生的功耗包括通态功耗Psat和开关功耗Psw，其公式为

式中：Esw为开关一次消耗的能量；fs为开关频率；PT为IGBT的总功耗。

式（1）中的通态功耗Psat反应IGBT在导通下的功耗。当开关频率较低时，通态功耗是主要功耗。随着开关频率的不断上升，开关功耗Psw逐渐成为主要功耗。

IGBT模块主要包括IGBT的功耗PT和反并联续流二极管的功耗PD。

IGBT的通态功耗为

式中：Ic为集电极电流；Uce(sat)为IGBT的饱和压降；D为占空比；cosφ为功率因数。

IGBT的开关功耗为

式中：E(on)为在T=125℃时，集电极电流下从曲线上可查到的开通能量；E(off)为表示在T=125℃时，集电极电流下从曲线上可查到的关断能量。

反并联续流二极管的通态功耗为

式中：UF为二极管的通态压降。

反并联续流二极管的关断功耗为

式中：E(off)为二极管的关断损耗。

反并联续流二极管的总功耗为

模块总功耗为

3.2 吸收电路的损耗计算

本文结合文献［5］中RC缓冲电路的功耗计算方法，再根据各实际吸收电路的工作原理来计算实际吸收电路的损耗。其一般计算公式如下：

1）IGBT由导通态变断态时，寄生电感上的储能经吸收电路消耗在电阻上，其能量损耗为

式中：Ls为寄生电感。

2）IGBT由断态变通态时，电容经电阻放电，其能量损耗为

式中：Cs为吸收电容；Ud为电源电压。

3）IGBT在工作时，其开关频率为fs，则吸收电路最大开关损耗为

3.3 IGBT的结温计算

式中：TA为工作环境温度（25 ℃）；Rth(c-f)为模块的接触热阻；RVTth(i-c)为IGBT部分热阻；RVDth(i-c)为续流二极管的部分热阻。本文设定IGBT结温的高温度为125℃。

4 Matlab对吸收电路对IGBT电路的功耗影响的仿真研究

为了研究吸收电路对IGBT功率损耗的影响程度，得到具体的计算数据，本文利用Matlab/Simulink7.1对6种基本吸收电路分别在4种电流等级情况下的IGBT实际工作电路建立模型并进行仿真分析，其中仿真电路中的IGBT模块为富士电机公司的7MBR50UB120模块、7MBR100UB120模块、2MBI200U4D-120模块和2MBI300U4N-120-50模块（耐电压为1 200 V，集电极电流分别为50A，100A，200A，300A）。通过对仿真结果的计算分析，得出6种吸收电路分别对IGBT电路功耗影响情况，并为这4种IGBT模块选择最优吸收电路拓扑结构。

4.1 7MBR50UB120模块的仿真及计算分析

为了更加接近于实际电路中，7MBR50UB120模块的仿真参数是根据富士公司的产品手册中的参数来设定。电路的工作频率为10 kHz，寄生电感Ls为100 nH，吸收电容Cs为2.5e-8 F。RC吸收电路、RCD吸收电路和放电阻止型RCD吸收电路A中的吸收电阻分别为100 Ω，150 Ω，30 Ω。建立的电路仿真模型如图3所示，其中采用RC吸收电路时电流Ic的仿真波形如图4所示。从图4可以看出，采用RC吸收电路后，虽然抑制了突波，但增大了IGBT的集电极电流Ic。通过式（2）可以看到IGBT模块的功耗相应的增加，同时也可以看到IGBT模块结温相应的升高，增加了系统的不稳定性。当系统对功耗和温升要求不高时可选用RC吸收电路。6种吸收电路分别对7MBR50UB120模块电路功耗影响情况如表1所示。

图3 电路模型Fig.3 Circuit model

图4 采用RC吸收电路后IGBT集电极电流Ic的仿真波形Fig.4 Current Icof IGBT waveform with RC absorber circuit

表16 种吸收电路分别对7MBR50UB120模块电路功耗的影响情况Tab.1 Influence of each type of absorber circuit for 7MBR-50UB120 module circuit power dissipation

从表1可以看到，与无吸收电路的IGBT电路相比，RC吸收电路对IGBT电路功耗影响最大。这主要由于在工作过程中寄生电感的能量和吸收电容的能量都消耗在吸收电阻上［6-7］，继而产生了很大的附加损耗，其它原因如前面对图4的分析。其次为RCD吸收电路，从文献［8］对RCD吸收电路的原理分析，并结合仿真波形及表1可以看出它与RC吸收电路情况基本一样，只不过没有寄生电感的能量消耗在吸收电阻上。对于这两种吸收电路，导致IGBT模块的结温相对较高，如果加上附加损耗产生的温度，则整个系统温度会比结温温度更高，这更增加了系统的不稳定性。通过前面分析还可以看出，前两种吸收电路中的吸收电容对电路附加损耗的影响很大，而附加损耗几乎占了整个电路总功耗的一半，所以在满足电路要求情况下要尽量减小吸收电容值，同时也要尽量选大的电阻值，以限制电路电流，减少电路的功耗。影响最小的分别为CD2吸收电路、LCD2吸收电路和RCD吸收电路A。前两种电路附加损耗仅为吸收电路中的二极管损耗，RCD吸收电路A的附加损耗仅为寄生电感所产生的能量，同时在仿真过程中也可以看到这3种电路都不增加IGBT的集电极电流。C吸收电路对IGBT电路功耗影响情况处于中间状态，主要是由于IGBT模块集电极电流升高引起的，可适当减小吸收电容，以降低损耗且结构简单。由于其成本低，工程易实现，但在仿真过程中出现轻微振荡，如果系统要求不高则选用C吸收电路作为7MBR50UB120 IGBT模块的吸收电路。本文选则C吸收电路。

4.2 7MBR100UB120模块的仿真及计算分析

7MBR100UB120 IGBT模块的仿真参数选择同上面的方法一样。电路工作频率同上，Ls为90 nH，Cs为30e-9 F。RC吸收电路、RCD吸收电路和放电阻止型RCD吸收电路A中的吸收电阻分别为150 Ω，200 Ω，150 Ω。其中采用放电抑制型RCD吸收电路A电流Ic的仿真波形如图5所示。6种吸收电路分别对7MBR50UB120模块电路功耗影响情况如表2所示。

图5 采用RCD吸收电路A后IGBT集电极电流Ic的仿真波形Fig.5 Current Icof IGBT waveform with RCD absorber circuit A

表2 6种吸收电路分别对7MBR100UB120模块电路功耗的影响情况Tab.2 Influence of each type of absorber circuit for 7 MBR-100UB120 module circuit power dissipation

从表2可以看到，与前面相比，随着电流等级的升高，电路功耗和IGBT结温升高很大。同样RC吸收电路对IGBT电路功耗影响最大，其次为RCD吸收电路。C吸收电路处于中间状态，但因为C吸收电路引起IGBT集电极电流Ic急剧升高，导致IGBT模块产生的功耗最大，其结温也最高，同时在电路仿真中产生明显振荡。同样CD2吸收电路、LCD2吸收电路和RCD吸收电路A的影响最小。通过综合考虑，本文选用CD2吸收电路或RCD吸收电路A。

4.3 2MBI200U4D-120模块和2MBI300U4N-120-50模块的仿真及计算分析

2MBI200U4D-120模块和2MBI300U4N-120-50模块的仿真参数选择方法同上。由于电流等级较高，为防止发热严重，导致结温超过模块规定值，这两种模块的 RVDth（j-c），RVIth（j-c），Rth（c-f）比前面模块低很多。电路工作频率同上，2MBI200U4D-120模块和2MBI300U4N-120-50模块的电路参数分别为Ls为68 nH/67 nH，Cs为30e-9 F/50e-9 F，RC吸收电路、RCD吸收电路和放电阻止型RCD吸收电路A中的吸收电阻分别为200 Ω/200 Ω，200 Ω/250 Ω，100Ω/250 Ω。其中2MBI200U4D-120模块采用CD2吸收电路时电流Ic的仿真波形和2MBI300U4N-120-50模块采用LCD2的波形分别如图6和图7所示。6种吸收电路分别对这两种模块电路功耗影响情况如表3和表4所示。

图6 采用CD2吸收电路A后IGBT集电极电流Ic的仿真波形Fig.6 Current Icof IGBT waveform with CD2absorber circuit A

图7 采用LCD2吸收电路A后IGBT集电极电流Ic的仿真波形Fig.7 Current Icof IGBT waveform with LCD2absorber circuit A

表3 6种吸收电路分别对2MBI200U4D-120模块电路功耗的影响情况Tab.3 Influence of each type of absorber circuit for 2MBI-200U4D-120 module circuit power dissipation

从表3和表4可以看到由于IGBT模块热阻比前面两模块的热阻小很多，虽然随着电流等级的升高，电路的总功耗和附加损耗明显上升，但结温却不高，反而比前面模块的结温低很多，这也证明了模块热阻对结温的影响很大。对于C吸收电路，由于随着电流等级的升高，吸收电容在电路中产生的振荡越来越严重，因此只对前一种进行仿真计算。通过表3和表4可以看到，RC吸收电路和RCD吸收电路产生的附加损耗很大，在实际电路中要注意其发热影响吸收电路的正常工作，从而降低整个系统的可靠性。其余的分析同上。考虑系统的可靠性，本次这两种模块选择RCD吸收电路A或LCD2吸收电路以增加系统的可靠性。

表4 6种吸收电路分别对2MBI300U4N-120-50模块电路功耗的影响情况Tab.4 Influence of each type of absorber circuit for 2MBI-300U4N-120-50 module circuit power dissipation

5 结论

本文通过对6种吸收电路在不同电流等级情况下的IGBT电路进行仿真计算和比较分析，得出这6种吸收电路分别对IGBT电路的功耗影响情况，其中影响较大的为RC吸收电路和RCD吸收电路，产生的功耗大约为无吸收电路时的1.7倍，其次为C吸收电路，产生的功耗大约为无吸收电路时的1.2倍，放电抑制型RCD吸收电路A，CD2吸收电路和LCD2吸收电路影响很小，电路产生的功耗几乎和无吸收电路时相等。通过以上的研究分析，能够在设计吸收电路时，尽量减少不必要的损耗，保证整个系统的可靠性和整个系统的效率，为IGBT吸收电路的优化设计提供了理论依据。

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