5.1 吸收电路的作用

各种开关器件（功率晶体开关管、快恢复二极管等）的开、关过程包括开通（tur-on）和关断（tur-off）两种。在开、关过程中，开关器件承受的di/dt或dv/dt较大，由于电路寄生参数L、C的存在，使开关器件因承受过高电压或过大电流（又称开关浪涌，switching surge）而损坏。为此需要增加吸收电路（snubber circuit，简称snubber）以限制、减小di/dt或dv/dt，降低开关器件上的电压或电流峰值，限制、减少开关器件在开、关过程中的功耗（开关损耗，switching loss），以避免器件热损坏。

为了进一步说明吸收电路的作用，先看一组试验结果。一个RL电路用IGBT开关来控制，如图5.1所示，IGBT两端并联一个吸收电路（如RCD网络，其结构将在后面介绍）。试验时，负载条件如下：①R=200Ω，L=1μH；②R=40Ω，L=15μH。分别测得IGBT关断时承受的电压波形，如图5.2所示。

比较图5.2（a）、（b）可见，加吸收电路后可以降低或消除IGBT关断时承受的电压尖峰，将器件电压钳定在一定数值内。因此图5.1中，与IGBT并联的吸收电路也可称为钳位电路（clamp）。当增大负载电感、减小负载阻尼时，未加吸收电路，IGBT关断时承受的电压尖峰将高达520V，且伴随产生振荡，见图5.2（c）；加吸收电路后，IGBT关断电压尖峰仅为140V，振荡幅度和次数也下降了，见图5.2（d）。

图5.1所示电路中只有一个IGBT，无其他开关二极管。但对开关电源来说，还要考虑其他开关二极管的动作对主开关管开关过程的影响。下面以Buck变换器为例，分析未加吸收电路时器件开关过程中的电压、电流变化。假设开关过程中，电压或电流按线性变化，即dv/dt或di/dt为常数，实际电路的开关电压、电流是非线性变化的。

图5.3给出了Buck变换器的等效电路图。vV（t），iV（t）分别为开关管电压和电流；Vdc为直流输入电压；输出LC滤波器用等效电流源Idc替代。

图5.4（a）、（b）分别给出了开关管关断时的vV（t）、iV（t）和关断功耗p（t）=vV（t）iV（t）。设t=0时，晶体开关管V开始关断，开关器件两端电压上升，当vV=Vdc时，二极管VD导通，才开始下降（假设也是按线性变化的）。直到t=tf时，iV（tf）=0，开关管才完全“断开”。在关断过程中，开关管的关断功耗p（t）=vV（t）iV（t）为三角形，其面积即代表关断能耗W。开关器件的电压上升越陡，即dv/dt越大，则图5.4（b）中p（t）三角形的面积越大，关断功耗越大。增加吸收电路就可以降低dv/dt，使p（t）三角形面积减小，从而降低开关管的关断能耗。

同理，开通过程可分析如下：图5.4（c）、（d）分别给出了开关管开通时的vV（t）、iV（t）及开通功耗p（t）=vV（t）iV（t）。t=0时，晶体开关管V开通，iV（t）上升，达到Idc后，VD关断，v0（t）下降；t=tr时，vV（tr）=0，晶体开关管完全导通，功耗p（t）呈三角形。

图5.5所示为晶体管的安全运行区（SOA）及其开关轨迹，SOA受开关器件最大允许电流、最大允许电压、最大允许功率等限制。图5.5（a）所示是根据图5.4（a）的波形分析描绘的开关轨迹，即无吸收电路时，开关管在关断过程中的vV-iV变化轨迹。一开始，电压由零增长，电流iV（t）=Idc，开关轨迹为一水平线；vV=Vdc时，电流由Idc下降到零，开关轨迹为垂直线。由图5.5（a）可见，不加吸收电路时，开关器件的电流、电压可能超出SOA。开关轨迹与坐标轴所包围的面积代表开关管关断功耗。

图5.5（b）给出了有吸收电路时（关断吸收电路如图5.6所示）晶体管的开关轨迹vV-iV。关断或开通两条轨迹均在SOA内，与图5.5（a）相比，坐标轴所包围的面积大为减小，说明有吸收电路时可减小开关功耗。

综上所述，开关电源及电力电子电路中吸收电路的作用主要是：

①将开关器件的电压、电流和功耗限制在安全运行区域（SOA）内。

②保证开关器件在开、关过程中dv/dt、di/dt足够小，限制器件上的电压或电流峰值，从而保证器件能正确可靠地运行。

③限制开关功耗，并将它转移，使开关器件结温不会超过规定。

④使PWM开关电源的二极管开、关过程减慢，其正向恢复电压或反向恢复电流不会影响到功率开关管的安全运行。