缓冲电路设计及仿真

1缓冲电路作用

缓冲电路一般并联在开关器件两端，主要有抑制过电压、降低器件损耗、消除电磁干扰的作用。

1)抑制过电压

逆变器高频工作时，开关器件快速开通、关断。由于主电路存在杂散电感，器件在开关过程中，急剧变化的主电路电流会在杂散电感上感应出很高的电压，使器件在关断时承受很

高的关断电压。在器件关断时，

，

若无缓冲电路，则该电压会加在器件两端形成过电压，当该电压超过器件额定电压时，器件损坏。此外，反并联二极管在反向恢复时产生的di/dt也会导致较高的过电压。

2)降低器件损耗

已知器件的功耗由下式决定：

(1.1)

在电路中增加缓冲电路，可以改变器件的电压、电流波形，进而降低损耗。从下图可知，在没有缓冲电路时，电压快速升至最大值，而此时电流依然是最大值，此时的损耗最大。加入缓冲电路后，避免了电压、电流出现同时最大值的情况，损耗得以降低。

3)消除电磁干扰

电路运行时，在没有缓冲电路的情况下，器件两端电压会发生高频振荡，产生电磁干扰。采用缓冲电路，可抑制器件两端电压的高频振荡，起到减小电磁干扰的作用。

因此，降低或消除器件电压、电流尖峰，限制dI/dt或dV/dt，降低开关过程中的振荡以及损耗，我们在逆变器中设计缓冲电路，以保证器件安全可靠工作。

2杂散电感的测量与计算

设计缓冲回路之前，首先需要确定杂散参数的量。杂散电感是特定电路布局的结果，不容易计算出来，我们一般采用测量的方法来确定杂散电感的大小。在没有任何缓冲回路时，用示波器观察器件关断时的振荡周期

T1

，重新测量器件关

断时的振荡周期T2。则杂散电感可由下式得出：

(2.1)

杂散电容为：

(2.2)

为无缓冲电路时的振荡频率。

3缓冲电路分类

缓冲电路主要分为如下三类，分为C型缓冲电路、RC型缓冲电路、RCD型缓冲电路。

图C缓冲电路适用于小功率等级的IGBT，对瞬变电压非常有效且成本较低。但这种缓冲电路随着功率等级的增大，会与直流母线寄生电感产生振荡。RCD型缓冲电路则可以避免这种情况，由于快恢复二极管可以箝位瞬变电压，从而抑制谐振产生。在功率等级进一步增大时，此种缓冲电路的回路寄生电感会变得很大，导致不能有效控制瞬变电压。因此在大功

的设计。

4缓冲电路工作原理及计算

线路因杂散电感会产生的瞬态浪涌高压,这种浪涌电压如果不加以抑制,可能会造成功率开关器件的损坏。而减少这种浪涌电压的途径有2种,一是采用层状母线结构,降低母线寄生漏电感;另一种方法是安装缓冲电路。缓冲电路在开关器件关断时工作,起到提供旁路的作用,从而达到抑制尖峰电压的目的,同时还可以减小功率器件的开关损耗。

4.1电容型缓冲电路

电容型缓冲电路在器件开通时有浪涌电流，因此用于小电流应用场合（<50A）。在高频场合下，为减小损耗，也会考虑这种拓扑。

根据能量转移关系，要求在器件开通过程中将吸收的能量释放：

I d V ds(t d−f+t f)

2=

1

2

CV ds2(4.1)

可得：

C=I d(t d−f+t f)

V ds(4.2)

4.2RC型缓冲电路

RC缓冲电路中，缓冲电阻R越小，缓冲电容越大，则缓冲效果越明显，但是要考虑电阻R上的损耗。

器件关断时，电容C储存能量，在下一次器件开通时，电容中的能量以热能的形式消耗在电阻R上，而电容上的存储的能量为：

(4.3)

为器件关断电压。又在电阻上消耗的能量与每个周期电容的充放电次数成正比，

因此在电阻上消耗的能量为：

(4.4)

其中f为器件工作频率。n为每个周期电容电压转换次数，半桥电路中，每个周期电容电压发生两次转换，因此n取2，即：

(4.5)

缓存电容的选择要满足两个要求，首先, 缓存电容能够存储的能量要比电路中杂散电感存储的能量要大，也就是要满足下式：

(4.6)

其次，缓冲电路的时间常数要比功率器件导通时间短, 这样在开关管导通的时候存储在

缓存电路中的能量才能够释放完毕，

一般情况下，认为3倍的时间常数可以完成放电过程，则：

(4.7)

，D 为占空比，T 器件开关周期。所以

(4.8)

此外，还要考虑放电电流不可太大。最后综合电阻功率与过压情况选择参数。综上所述，得到：

(4.9)

(4.10)

4.3 RCD 缓冲电路

RCD 型电路又分为如下三类。其中，Ⅱ型电路采用2组Ⅰ 型缓冲电路, 使用快恢复二极

管钳位瞬变电压, 可抑制振荡发生, 适用于中大容量器件, 但缓冲电路的损耗很大。Ⅰ型电路将RCD 缓冲电路直接并接在桥臂两端, 这种电路抑制器件关断瞬态电压的效果好, 而抑制器件开通时的瞬态电压效果稍差。Ⅲ 型缓冲电路由于每个元件有各自独立的吸收电路, 既可抑制关断浪涌电压, 缓冲电路的损耗又很小, 适合于大功率电路。

4.3.1Ⅰ型缓冲电路

缓冲电路工作过程可以简单分析如下:当开关管T截止时,原来流过引线电感Ls的电流通过Cs、Ds旁路,从而将Ls上的储能转移到Cs,避免在器件关断时由于电流突变,引起在器件两端产生很高的电压尖峰,因而大大降低了在开关管截止瞬间在其两端所产生的过电压;当开关管T导通时,Cs的储能通过开关管T、缓冲电阻Rs释放,从而使其两端的电压下降到母线电源电压Vd,为下次的缓冲吸收作好准备。

以开关T1关断时刻为起点来分析缓冲电路的工作原理,其工作过程可分为3个阶段,即线性化换流、杂散电感Lp谐振放能、缓冲电容Cs放电。