缓冲电路设计及仿真
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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,主电路杂散电感上会产生与直流电压同向的感应电压
p
di
L dt
,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:
01T
P uidt T
=
⎰ (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。
U DS
无缓冲电路
U DS I D
I D
有缓冲电路
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;接着,在开关管两端并联一个值确定的电容,即测试电容test C ,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:
2221p 2
()
L 4test
T T C π-= (2.1)
杂散电容为:
2
1
(2)
p p i C L f π=
(2.2)
其中i f 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。
C
型
RC
型
RCD 型
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
下表是针对直流母线电感量,以过冲电压100V 为前提计算出的推荐值,便于缓冲电路
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
C型
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:
(4.1)
可得:
(4.2)
4.2 RC 型缓冲电路
RC 型
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:
2
12
C s DS W C U =
(4.3)
其中,DS U 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:
2
1*2
R s DS P C U f n =
(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:
2
R s DS P C U f =
(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:
2211
22
s ds p C U L I > (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:
3 s s on R C t ≤
(4.7)
其中on t DT = ,D 为占空比,T 器件开关周期。所以
3s s
DT
R C ≤
(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:
222
p R
s DS
DS
L I P C U
fU <<
(4.9)
3s s
DT R C << (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。
Ⅱ型
Ⅲ型
I 型