BUCK变换器中的电压尖峰问题

BUCK 变换器中的电压尖峰问题
The Solution to the Voltage Spikes in BUCK Converter 空军后勤学院 魏晓斌 (徐州 221000)南京航空航天大学 詹晓东 沈冬珍 (南京 210016)
摘要:详细地分析了BU CK 变换器中主功率管及二极管上电压尖峰产生的原因及过程,并在此基础上提出了独特的解决措施。

Abstract:T he paper analyzes in detail the reaso ns and the processes of the voltage spike occur rence in the main pow er transistors and free w heeling diodes in BUCK converter,and presents an effective solution to the v oltage spikes.
叙词:变换器/BUCK 变换器 电压尖峰
Keywords:converter/BUCK converter;voltage spike
1 前 言
BUCK 变换器在开关转换瞬间,由于线路上存在感抗,会在主功率管和二极管上产生电压尖峰,使之承受较大的电压应力和电流冲击,从而导致器件热损坏及电击穿。

因此,为避免此现象,有必要对电压尖峰的原因进行分析研究,找出有效的解决办法。

2 主功率管关断期间的电压尖峰
图1为BUCK 变换器的主电路原理图。

主功率管VQ 采用的是功率MOSFET。

图1 主电路原理
在实际电路连线中,电路的输入端至VQ 源极之间的连接导线上存在一定的杂散电感L 1。

VQ 导通期间,输入电流I 流过L 1,产生一个感应电压U L 1,极性为左正右负。

VQ 关断瞬间,I 将迅速减小至零,导致产生很大的d i /d t ,L 1上产生很高的U L1,极性变为左负右正,加在VQ 的漏 源极上,致使VQ 管的U ds 产生较高的电压尖峰。

U ds =U i n +L 1d i /d t
(1)
该电压尖峰对VQ 危害极大,它会使VQ
的关断损耗增加,整机效率降低,甚至因过压而
损坏,因此必须消除。

如图2所示,给VQ 加一缓冲网络即并联一电容C 3,对提高整机效率有一定的效果。

这样在VQ 关断瞬间,L 1通过C 3续流,给C 3充电,形成一个电流通路。

由于电容电压不能突变的性质,因此消除了L 1引起的电压尖峰。

C 3由多个高频、无极性、无感小电容并联而成。

同时在电路布局走线上要注意合理安排,尽量缩短引线。

图2 改进后的变换器主电路
图3为6kVA BUCK 变换器的U ds 实测波形。

其输入电压为170V,输出电压为200V 。

为消除电压尖峰,并联了10个1 F/400V 高频、无极性电容。

图3 主功率管V Q 两端的电压波形
3 VD 关断瞬间的电压尖峰
在电路的实际连线中,连接VD 的导线中
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电力电子技术 1997年第2期 1997.5
也存在一定的杂散电感L 2,如图4
所示。

图4 杂散电感等效电路
在VQ 关断期间,L 1通过VD 向负载提供能量,此时VD 处于导通状态,其波形见图5。

图5 VQ 关断期间波形
t 0时刻:VQ 再次导通,漏极电流开始增大,流过VD 的电流开始减小。

由于流过L 2的电流I F 不能突变,一方面限制了流过VQ 的电流峰值,另一方面产生了一个感应电压U L 2,极性为上正下负,其大小为:
U L2=L 2d i F /d t (2)
t 0~t 1期间:流过VD 的电流逐渐减小,流过VQ 的电流逐渐增大。

t 1时刻:流过VD 的电流为零(见图2),但此时VD 并未关断,主要原因是在其导通期间,有一定数量的电荷贮存。

这时VD 将要以反向电流的形式清除其中一些电荷,称之为反向恢复电流,用I dr 表示。

另一部分电荷被其内部的载流子所中和。

t 1~t 2期间:流过VD 的反向恢复电流逐渐增大,其方向与VD 导通时的续流电流方向相反,此时电感L 2上产生的感应电压U L2的极性为下负上正,其大小为:
U L2=L 2d i dr /d t (3)
VD 上承受的电压为:
U D =U in -U ds -U L 2
(4)
t 2时刻:流过VD 的反向恢复电流将开始减小,L 2上的感应电压U L2的极性为下正上负。

VD 上承受的电压为:
U D =U in -U ds +L 2d i dr /d t
(5)
其时,由于VQ 的漏 源电压U ds 逐渐减小,
因此在输入电压U i n 不变的情况下:
U ds !∀U D #
(6)
可见在VD 关断时,其承受的电压为L 2引起的电压与输入电压二者之和。

VD 上的电压尖峰由L 2引起,其值为:
U L2=L 2d i dr /d t (7)
t 2~t 3期间:流过VD 的反向恢复电流逐
渐减小;
t 3时刻:流过VD 的反向恢复电流为零,VD 关断时承受的电压为:
U D =U in -U ds
(8)
由于VD 在关断瞬间承受了一电压尖峰,
因而增加了其关断损耗,造成其热损坏。

若尖峰值超过电压定额将造成器件电击穿,必须设法将其消除。

对此,有两种方案并进行了试验:
(1)给VD 加上缓冲电路,在关断中,使其承受的电压缓升,从而减小电压尖峰。

电路与实验数据见图6、表10。

图6 二极管V D 的缓冲电路
表10 实验数据
U in (V)U 0(V )I 0(A )
续流二极管电压尖峰(V )
加缓冲电路并联二极管6050 3.4440 25140104 6.9095 55180149 9.00110 6526020113.5145 7327020313.8150 7327020222.2151 73.527020225.2170 75270
202
27.2
180
77
(2)在VD 阴极至VQ 源极之间的导线上并联一个快恢复二极管VD 1(见图4),以给L 2提供一条续流通路以减小VD 上的电压尖峰。

这样,在VD 关断瞬间,其承受的电压为:
U D =U in -U ds +U D1
(9)
电路及实验数据见图4虚线所接二极管及附表1。

在未加缓冲电路及二极管的情况下,
(下转第69页)
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(1)有电流R=0、有脉冲P=1时:Q=1, D=0。

(2)有电流R=0、无脉冲P=0时:Q不变,D=0。

(3)无电流R=1、有脉冲P=0时:Q=0, D=1。

(4)无电流R=1、无脉冲P=1时:Q=0, D=1。

(5)假有电流R=0、无脉冲P=0时:Q不变,D=1。

D=1时,表示零电流输出信号有效,这样,假有电流信号经图3电路处理,判断为无电流输出。

4 结 语
设计的零电流检测电路已在3kW的交 交变频励磁变速发电模型机组中应用,应用时应保证限流电阻R1有足够的功率。

参 考 文 献
1 马小亮,大功率交 交变频交流调速及矢量控制。

北京,机械工业出版社,1992.
2 Xu J C,Xu D Z.T he A nalysis of the Strategy and Property of the M ulti phase Exciting Generator.CICEM∃95.Hangzhou,1995:193~195
收稿日期:1996 03 29
作者简介
徐锦才:男,1969年1月生,博士研究生。

主要从事多相励磁发电技术的研究。

许大中:男,1929年5月生,教授,博士生导师。

主要从事电机及其控制的研究。

(上接第64页)
经测量发现:低压时,电压尖峰为输入电压的两倍,根据实验数据及附表可见,方案(2)的效果较好。

4 结论
本文通过理论分析和实验验证,阐述了BUCK变换器主电路中主功率管和续流二极管的电压尖峰问题。

认为,导线上的杂散感抗是产生该尖峰的主要原因。

消除此尖峰的方法较多,实验证明,本文所提出的方法效果甚好。

参考文献
1 林渭勋.电力电子技术基础.北京:机械工业出版社,1990.
2 让玛里皮特(法).功率晶体管和开关二极管应用技巧.北京:纺织工业出版社,1991.
收稿日期:1996 03 15
作者简介
沈冬珍:女,1935年10月生,教授。

研究方向为电气技术和电力电子技术。

詹晓东:男,1964年6月生,副教授。

研究方向为电气技术和电力电子技术。

魏晓斌:男,1965年9月生,硕士学位。

研究方向为电气技术和电力电子技术。

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交 交变频系统中的零电流检测技术。