5典型 缓冲电路

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3) 在VG关断过程的两个换流期 VG关断过程的两个换流期
在VG关断过程的两个换流期中，Cs值决 VG关断过程的两个换流期中，Cs值决 关断过程的两个换流期中 定了电压的上升速度，适当选择Cs Cs值可使 定了电压的上升速度，适当选择Cs值可使 uce在电流下降期中缓升 在电流下降期中缓升， uce在电流下降期中缓升，从而显著降低关断 损耗，由于电路简单有效， 损耗，由于电路简单有效，使无源关断缓冲 电路在软PWM电路中得到广泛应用。 PWM电路中得到广泛应用 电路在软PWM电路中得到广泛应用。
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CsCs-VDo换流期
Cs-VDo间换流包含 Cs-VDo间换流包含 h~j三个时区 在时区h 三个时区： h~j三个时区：在时区h， 由于uce>Ud uce>Ud， 由于uce>Ud，产生电压过 充 ∆U ， ∆U = U cem − U d VDo正偏导通 正偏导通， Lk、 VDo正偏导通，由Lk、Ls Cs和VDs组成的串联振 、Cs和VDs组成的串联振 荡电路投入工作。 荡电路投入工作。
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3.5.1 IGBT缓冲电路的构成 IGBT缓冲电路的构成
点划线框A 点划线框A与 IGBT串联 串联， IGBT串联，为开通 缓冲电路，电感Lk 缓冲电路，电感Lk 器件在开通时使电 流缓升， 流缓升，称缓流电 感，可降低器件的 开通损耗，Rk和 开通损耗，Rk和 VDk构成阻尼电路 VDk构成阻尼电路 Lk储能提供释 ，为Lk储能提供释 放回路， 放回路，也称有阻 尼开通缓冲电路。 尼开通缓冲电路。
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IGBT正常开关状态下的负载动态轨迹 IGBT正常开关状态下的负载动态轨迹
IGBT正常开关状态下 IGBT正常开关状态下 的负载动态轨迹 ： VG关断过程 关断过程， a-VG关断过程， VG开通过程 开通过程, b-VG开通过程, c-理想开关动态轨迹。 理想开关动态轨迹。
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3.5.1 正常开关状态下的负载动态轨迹
在感性负载下，IGBT的开关环境相当恶 在感性负载下，IGBT的开关环境相当恶 不仅过高的开关损耗会导致器件过热， 劣，不仅过高的开关损耗会导致器件过热， 还有可能产生关断过电压， 还有可能产生关断过电压，为保障器件安全 设计者可采用具有更大SOA的器件， SOA的器件 ，设计者可采用具有更大SOA的器件，但这 在技术和经济上都是欠妥当的， 在技术和经济上都是欠妥当的，较为合理的 做法是设法改变器件的负载动态轨迹， 做法是设法改变器件的负载动态轨迹，减轻 器件在开关过程中的功率负担， 器件在开关过程中的功率负担，在电路中加 入缓冲电路便是一种有效措施。 入缓冲电路便是一种有效措施。 在正常开关状态下的负载动态轨迹将如 下图所示。 下图所示。
电路的基本状态是IGBT稳定导通状 稳定导通状 电路的基本状态是 指左图中时区e，此时有： 态，指左图中时区 ，此时有：
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开关电路的基本状态
二极管VDo稳定导通状态即VG 二极管VDo稳定导通状态即VG VDo稳定导通状态即 关断状态，指图中时区k 关断状态，指图中时区k，此时有
3.5 典型的IGBT缓冲电路 典型的IGBT IGBT缓冲电路
从前面开通和关断缓冲电路的分析可 知，在开关电路中加入缓冲电路可以改 善器件开关环境，这是自SCR SCR电路演绎 善器件开关环境，这是自SCR电路演绎 至今并已成为一种普遍采用的技术； 至今并已成为一种普遍采用的技术；缓 冲电路也是实现软开关的基本方法之一 其详细内容将在稍候介绍。 ，其详细内容将在稍候介绍。 本节仅结合IGBT IGBT的带缓冲电路开关过 本节仅结合IGBT的带缓冲电路开关过 程的分析， 程的分析，介绍一个完整基本缓冲电路 的工作原理。 的工作原理。
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IGBT缓冲电路的构成（ IGBT缓冲电路的构成（续） 缓冲电路的构成
点划线框B IGBT并 点划线框B与IGBT并 电容Cs Cs在关断时使电压 联，电容Cs在关断时使电压 缓升，也称缓压电容， 缓升，也称缓压电容，可降低 器件的关断损耗， Rs和 器件的关断损耗，由Rs和 VDs构成的并联支路 构成的并联支路， VDs构成的并联支路，可提高 充电速度且抑制放电流。 充电速度且抑制放电流。称 RCD关断缓冲电路 关断缓冲电路。 RCD关断缓冲电路。由于电 路包含电阻Rk Rs,是称耗能 Rk和 路包含电阻Rk和Rs,是称耗能 型缓冲电路。 型缓冲电路。
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与实 际方 向相 反
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开通换流期小结
因为有了开 通缓冲电路 Uce下降 ，在Uce下降 期中，电流ic 期中，电流ic 主要为ics ics， 主要为ics， 这样就改善 了器件的开 通环境。 通环境。
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3.5.5关断换流期及其特点 3.5.5关断换流期及其特点
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关断期的特点是
1) 由于考虑缓冲电路分布电感 Ls，Cs初充电时uce产生阶跃 初充电时uce Ls，Cs初充电时uce产生阶跃 电压U1,如图所示， t=t5时 U1,如图所示 电压U1,如图所示，当t=t5时 ,uce为 ,uce为： uce=uLs+ucs 考虑Cs端压初值为ucs=0, Cs端压初值为ucs=0,设 考虑Cs端压初值为ucs=0,设 ic按线性下降 ics线性上升 按线性下降( 线性上升) ic按线性下降(即ics线性上升)并 忽略其拖尾， 忽略其拖尾，则上式可写成
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3.5.4 开通换流期的特点
VG开通过程有关电量 VG开通过程有关电量 波形如左图中时区a 波形如左图中时区a～ 所示， d所示，该电量波形基 于以下的假定： 于以下的假定： uce在换流期中线性 ①uce在换流期中线性 下降(uL线性上升) (uL线性上升 下降(uL线性上升)； 串联缓流电感Lk Lk值 ②串联缓流电感Lk值 较大(与集极电感Lko 较大(与集极电感Lko 比)； 考虑VDo VDo的反向恢 ③考虑VDo的反向恢 复电荷Qrr 复电荷Qrr
布线电感Ls包含缓压电容 的寄生电感和电路的引线电感 布线电感 包含缓压电容Cs的寄生电感和电路的引线电感，在 包含缓压电容 的寄生电感和电路的引线电感， 大容量电路中必须考虑(类似于 类似于GTO电路 。 电路)。 大容量电路中必须考虑 类似于 电路
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3.5.3 开关电路的基本状态
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开通换流期的特点
因为有IGBT VDo间的换流 间的换流， 因为有IGBT -VDo间的换流， 按上设Lk很大，故在Uce Lk很大 Uce下降 按上设Lk很大，故在Uce下降 期中iL缓升， Uce下降比iL上 iL缓升 下降比iL 期中iL缓升， Uce下降比iL上 升要快许多。 t=t1时 时区a) 升要快许多。当t=t1时(时区a) 达到I2 I2<<Io， ， iL 达到I2 ，且I2<<Io，尔 uce=0，uL=Ud，iL线性上 后uce=0，uL=Ud，iL线性上 (iD0线性下降 线性下降) 升(iD0线性下降)。
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开通换流期的特点
实际上，IGBT开通过程还 实际上，IGBT开通过程还 存在一个叠流期， 存在一个叠流期，因为在 IGBT关断时 开通前)Cs 关断时( )Cs中 IGBT关断时(开通前)Cs中 储有能量Wc Wc， IGBT开通 储有能量Wc，当IGBT开通 Cs立即沿IGBT和Rs放电 立即沿IGBT 时Cs立即沿IGBT和Rs放电 (ics<0)，放电电流与iL iL一 (ics<0)，放电电流与iL一 起流经IGBT IGBT， 起流经IGBT，放电电流峰 Icsm，Rs虽可限制 虽可限制Icsm 值Icsm，Rs虽可限制Icsm 但却不能影响Cs中电荷Qs Cs中电荷 但却不能影响Cs中电荷Qs 也即增大Rs Rs同时会减缓 ，也即增大Rs同时会减缓 放电的速度， 放电的速度，延长放电电流 的衰减期， 的衰减期， 因此Rs的上限值要受到ug Rs的上限值要受到 因此Rs的上限值要受到ug 的最窄脉宽τ 的限制。 的最窄脉宽τm的限制。
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Rs接入过程 Rs接入过程
时区j描述VDs关断后Rs接入的过程： 时区j描述VDs关断后Rs接入的过程： VDs关断后Rs接入的过程 当t=t9时，VDs反向恢复电流迅速衰减 t=t9时 VDs反向恢复电流迅速衰减 为零，VDs恢复反向阻断能力 恢复反向阻断能力， 为零，VDs恢复反向阻断能力，原先流 VDs的电流改由Rs流过 的电流改由Rs流过， 经VDs的电流改由Rs流过，由 Rs>>Rson(Rson为VDs的导通电阻 的导通电阻) Rs>>Rson(Rson为VDs的导通电阻)， 串联电路产生非周期振荡，电感LKs( LKs(为 串联电路产生非周期振荡，电感LKs(为 Lk+Ls)中的剩余能量将在Rs上转化为热 中的剩余能量将在Rs Lk+Ls)中的剩余能量将在Rs上转化为热 最后Ido=Io Ido=Io， ics=0,IGBT关断 能，最后Ido=Io，iL= ics=0,IGBT关断 过程结束. 过程结束.
IGBT关断过程经 IGBT关断过程经 历两个换流期：IGBT历两个换流期：IGBTCs和Cs-VDo。IGBTCs和Cs-VDo。IGBTCs换流有f—g两个时 Cs换流有f 换流有 区，在f时区中由于ic 时区中由于ic MOS关断而迅速下 因MOS关断而迅速下 而在时区g 降，而在时区g中电流 ic拖尾 ics上升缓慢 拖尾， ic拖尾，ics上升缓慢 uce上升 上升( ，uce上升(上升速度 取决于Cs Io)， Cs和 取决于Cs和Io)，t=t7 IGBT-Cs换流结束 换流结束。 时IGBT-Cs换流结束。
u ce = u LS
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dicS LS I 0 = LS = = U1 dt tf1
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关断期的特点是
dicS LS I0 uce = uLS = LS = = U1 dt tf1
上式表明：阶跃电压U1随Ls和Io的增 上式表明：阶跃电压U1随Ls和Io的增 U1 大而升高，从而使Eon增大， Eon增大 大而升高，从而使Eon增大，为此应设法 减小Ls 如选择低内感缓冲电容器， Ls， 减小Ls，如选择低内感缓冲电容器，安装 时直接接在器件电极端子上等。 时直接接在器件电极端子上等。
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2)为抑制关断期中电压过冲 2)为抑制关断期中电压过冲ΔU 为抑制关断期中电压过冲Δ
缓冲电路应折衷确定 LK值 此外在LK LK并联由 LK值，此外在LK并联由 RK和VDK组成的阻尼电 RK和VDK组成的阻尼电 uL反向期中 反向期中VDK 路，在uL反向期中VDK 正偏导通，LK中储能沿 正偏导通，LK中储能沿 RK释放 释放； IGBT并联 RK释放；与IGBT并联 Cs、Rs和VDs组成的 的Cs、Rs和VDs组成的 RCD电路 电路， LS中储能 RCD电路，将LS中储能 转移到Cs Cs中 Cs越大则 转移到Cs中，Cs越大则 电压过冲量Δ 越低。 电压过冲量ΔU越低。
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注意！ 注意！稳态时缓冲电路不工作
不管是哪种状态， 不管是哪种状态，电路中电量均为 恒值( io≡Io,ud≡Ud)， ≡Io,ud≡Ud) 恒值(设io≡Io,ud≡Ud)，缓冲电路并不 处于工作状态。 处于工作状态。 可见，时区a IGBT开通的换流 可见，时区a～d是IGBT开通的换流 而时区f 则是IGBT IGBT关断的换流期 期，而时区f～j则是IGBT关断的换流期 为了改变IGBT在这些时区中的环境， IGBT在这些时区中的环境 ，为了改变IGBT在这些时区中的环境， 缓冲电路应投入工作。 缓冲电路应投入工作。