緩沖電路的概念
緩沖電路（SnubberCircuit）又稱吸收電路，它是電力電子器件的一種重要的保護(hù)電路，不僅用于半控型器件的保護(hù)，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的應(yīng)用技術(shù)中，起著更重要的作用。
緩沖電路的基本結(jié)構(gòu)
緩沖電路的功能有抑制和吸收兩個方面，因此圖1（a）是這種電路的基本結(jié)構(gòu)，串聯(lián)的LS用于抑制di/dt的過量，并聯(lián)的CS用于吸收器件上的過電壓，即器件在關(guān)斷時CS通過快速二極管DS充電，吸收器件上出現(xiàn)的過電壓能量，由于電容電壓不會躍變，限制了重加dv/dt。當(dāng)器件開通時CS上的能量經(jīng)RS泄放。對于工作頻率較高、容量較小的裝置，為了減小損耗，圖1（a）中的RLCD電路，可以簡化為圖1（b）的形式。裝置由RCD網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的緩沖電路普遍用于GTR、GTO、功率MOSFET及IGBT等電力電子器件的保護(hù)。
圖1
圖2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。如圖所示，它們既可用于逆變器中IGBT模塊的保護(hù)，也適用于其他電力電子器件的緩沖保護(hù)，但其性能有所不同。
圖2
圖2（a）是最簡單的單電容電路，適用于小容量的IGBT模塊或其他容量較小的器件，但由于電路中無阻尼元件，容易產(chǎn)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(hù)中已用得很普遍。
圖2（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(dú)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（a）、（b）兩種緩沖電路并聯(lián)使用以增強(qiáng)緩沖吸收的功能。
圖2（c）是RS交叉連接的緩沖電路，當(dāng)器件關(guān)斷時，CS經(jīng)DS充電，抑制dv/dt；當(dāng)器件開通時，CS經(jīng)電源和RS放電，同時有部分能量反饋回電源，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2（d）是大功率GTO逆變橋臂上的非對稱RLCD緩沖電路。圖中限流電感LS經(jīng)過DS和RS釋放磁場能量。GTO關(guān)斷時，CS經(jīng)DS吸收能量并經(jīng)RS把部分能量反饋到電網(wǎng)上去，因此損耗較小，適用于大容量的GTO逆變器。其中CS具有吸收電能和電壓箝位雙重功能，且效率較高。
圖2（e）是三角形吸收電路，其特點(diǎn)是：（1）三只電容器之間幾乎不需要連接線，所以寄生電感極小。（2）在電力電子器件工作過程中每只電容器都參與工作，電容器利用率高。（3）電路損耗較小。
緩沖電路引線中的雜散電感必須限制到最小，以防止電力電子器件在關(guān)斷時出現(xiàn)電壓尖峰，并消除雜散電感與緩沖電路中CS構(gòu)成諧振回路所產(chǎn)生的振蕩。所以緩沖電路中的R、C、D等元件也應(yīng)力求采用無感元件。
緩沖電路的工作原理
緩沖電路的基本工作原理是利用電感電流不能突變的特性抑制器件的電流上升率，利用電容電壓不能突變的特性抑制器件的電壓上升率。圖示以GTO為例的一種簡單的緩沖電路。其中L與GTO串聯(lián)，以抑制GTO導(dǎo)通時的電流上升率dI/dt，電容C和二極管D組成關(guān)斷吸收電路，抑制當(dāng)GTO關(guān)斷時端電壓的上升率dV/dt，其中電阻R為電容C提供了放電通路。緩沖電路有多種形式，以適用于不同的器件和不同的電路。
緩沖電路的工作波形
吸收電路一般由電阻、電容和二極管組成，常和開關(guān)管或二極管（包括高頻整流二極管）并接，使開關(guān)管上電壓的應(yīng)力減小、EMI減少，使負(fù)載線的軌跡不超過安全工作區(qū)，不發(fā)生二次擊穿。下面仍以反激轉(zhuǎn)換器為例進(jìn)行介紹。
當(dāng)圖1所示的控制脈沖Ug在t=t1為低電壓時開關(guān)管V趨于關(guān)斷，Ic下降，由于Lp、LLT的作用，集電極電壓增加，形成Isnb吸收電路電流，以維持變壓器初級繞組電流Ip不變（Ip=IC十ISNb）.ISNb流過D1對C1充電。
圖一
如果開關(guān)管V關(guān)斷的很快（最好條件），集電極電壓的變化率dUC/d/由下式?jīng)Q定：
隨著開關(guān)管V的關(guān)斷，線性增加的集電極電壓Uce在t=t3時達(dá)到2倍Ui的電壓。短時間之后（延時決定于初級至次級漏電感的大?。?，當(dāng)次級繞組電壓上升到Ucz加上D2的壓降時，形成圓弧形上升的電流Iso在這時反激電流將從初級至次級電路換流，換流過程的速率由次級漏電感及外部電感電容來決定。
圖1中示出了初、次級換流過程的波形。在t=t2，Ip=0時，開關(guān)管V的Uce=Uceo的70%為好。此后在Isnb充電下，Uce繼續(xù)斜線上升，當(dāng)上升到2×Ui時，極性反轉(zhuǎn)的P4電壓耦合到△，足以使D3導(dǎo)通，因此在t=t3時出現(xiàn)IFB，抑制了Uce的繼續(xù)上升。在IFB=0時，次級達(dá)到I‘S電流穩(wěn)壓值。
如果要實(shí)現(xiàn)上述理想情況，需要仔細(xì)地選擇參數(shù)和實(shí)驗(yàn)調(diào)整。圖2示出了無吸收環(huán)節(jié)情況。圖3示出了有吸收環(huán)節(jié)的情況。
圖二
值得指出的是，如果開關(guān)管V裝有散熱器時，散熱器是集電極（或是隔電傳熱式）。在開關(guān)管V的集電極與電源公共線之間存在電容時，它為集電極電流提供了工條附加的通路。它也是引起集電極電流存在的事實(shí)。不過，它與安裝有關(guān)，與開關(guān)管本身存在的Miller電流效應(yīng)不能混淆。另外，它的數(shù)值也比較大一些，它的存在對減小dUcd/dt是有好處的。
緩沖電路的作用與基本類型
電力電子器件的緩沖電路（snubbercircuit）又稱吸收電路，它是電力電子器件的一種重要的保護(hù)電路，不僅用于半控型器件的保護(hù)，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的應(yīng)用技術(shù)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(lián)電感及其配件組成了開通緩沖電路，或稱串聯(lián)緩沖電路。晶閘管關(guān)斷時，電源|穩(wěn)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(nèi)部流過過大的結(jié)電容電流而誤觸發(fā)，需要在晶閘管的兩端并聯(lián)一個RC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成關(guān)斷緩沖電路，或稱并聯(lián)緩沖電路。
GTR、GTO等全控型自關(guān)斷器件在實(shí)際使用中都必須配用開通和關(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)斷損耗是影響這種開關(guān)器件正常運(yùn)行的重要因素之一。例如，GTR在動態(tài)開關(guān)過程中易產(chǎn)生二次擊穿的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又與開關(guān)損耗直接相關(guān)。所以減少全控器件的開關(guān)損耗至關(guān)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(guān)軌跡，使開關(guān)損耗減少，進(jìn)而使器件可靠地運(yùn)行。
圖1（a）是沒有緩沖電路時GTR開關(guān)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(guān)斷過程中都存在uCE和iC同時達(dá)到最大值的時刻；因此出現(xiàn)了瞬時的最大開關(guān)損耗功率Pon和Poff，從而危及器件的安全。所以，應(yīng)采用開通和關(guān)斷緩沖電路，抑制開通時的di/dt，降低關(guān)斷時的du/dt，使uCE和iC的最大值不會同時出現(xiàn)。
圖1（b）是GTR開關(guān)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(jīng)矩形軌跡降到0，相應(yīng)地iC由0升到ICM；關(guān)斷時iC由ICM經(jīng)矩形軌跡降到0，相應(yīng)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(xiàn)，而且電壓和電流都有超調(diào)現(xiàn)象，這種情況下瞬時功耗很大，極易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，導(dǎo)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(guān)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(xiàn)最大值的情況，大大降低了開關(guān)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(dǎo)通時的di/dt，以免發(fā)生元件的過熱點(diǎn)，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(guān)斷緩沖電路不僅為限制GTO關(guān)斷時再加電壓的du/dt及過電壓，而且對降低GTO的關(guān)斷損耗，使GTO發(fā)揮應(yīng)有的關(guān)斷能力，充分發(fā)揮它的負(fù)荷能力起重要作用。
IGBT的緩沖電路功能更側(cè)重于開關(guān)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(dá)30~50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的LdiC/dt，從而產(chǎn)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(guān)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(xiàn)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(xiàn)了過電流尖峰iCP，當(dāng)iCP回落到穩(wěn)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(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使iC出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)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(guān)斷器件，通過限壓、限流、抑制di/dt和du/dt，把開關(guān)損耗從器件內(nèi)部轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)用很廣泛。