半桥逆变snubbber电路剖析

半桥逆变SNUBBER电路
描述：半桥逆变正负桥臂开关管关断时是硬关断，当负载电流很大时，开关管关断时di/dt
很大，由于线路存在分布电感，所以会引起很大的电压尖峰，如果不加缓冲电路抑制电压尖峰的产生，则开关管的电压规格必须比正常值高出许多，开关损耗也较大，当UPS功率很大时（额定电流很大），开关管的选取将变得异常困难；同时，过高的di/dt将产生严重的EMI。

给半桥逆变的开关管增加关断缓冲电路可以降低di/dt、减小关断损耗，并能降低相应频段的EMI。

一、常用SNUBBER电路的种类
1、RC SNUBBER（如图1）
图1
2、RCD SNUBBER（如图2）
图2
3、变形的RCD SNUBBER电路（CLAMPING电路，如图3）
图3
二、SNUBBER电路的工作过程
（以RCD SNUBBER电路为例进行分析，只分析正半周的情况）
1、Q1开通后进入稳态，流过Q1的负载电流为I，此时U CS1=0，U CS2=2*V BUS（如图4，
红色箭头表示电流流向）。

图4
2、当Q1的栅极上加入关断信号，电流I通过Q1的C、E间的寄生电容流过，U CE1
升高，随之D S1开通，一部分电流转移到C S1成为C S1的充电电流，Q1上电流减小，
C S2经R S2、R LOAD进行放电（如图5）。

图5
3、Q1完全关断（恢复阻断能力）后，U CE1大于正负BUS之和，D2开始正偏置，在
D2的正偏置电压没有达到其开通阈值电压之前不能及时导通，C S1继续过充电，C S2继续放电（如图6）。

图6
4、C S1仍然过充电，D2开始续流，负载电流I由正桥臂向负桥臂换流，C S2放电（如
图7）。

图7
5、D2完全续流，C S1放电，C S1上过充的能量一部分消耗在R S1上，另一部分反馈到＋
BUS（如图8）。

图8
6、C S1放电完毕，U CE1=2*V BUS，U CS2＝0，D2进入稳态续流（如图9）。

图9
7、Q1再次开通，Q1与D2之间进行换流，Q1的电流增大，D2的电流反相进入反相
恢复过程，同时C S1、R S1、Q1构成C S1的放电回路，Q1、D S2、C S2构成C S2的充电回路(图10)。

图10
8、D2的反相恢复完毕，Q1上流过负载电流I，同时，C S1的放电、C S2的充电仍然继
续（图11）。

图11
9、进入正桥臂稳态工作的情况（一个工作周期结束）。

三、SNUBBER电路定量分析
1、RCD SNUBBER电路
考虑线路主要分布电感，电路原理简图如图12。

图12
“过程4”中U CE1达到最大，其值约等于U CS1，根据上面对电路工作过程的分析可以知道，
将电路再次呈现在下面（图13）。

图13
由电路有：
2*V BUS =dt
di
L u dt di L L CS S 22111
-+ （1） 由于i L2=I-i S1，代入（1）式得： 2*V BUS =11
21)
(CS S u dt
di L L ++ (2) 由于i S1=dt
du C CS S 1
1
，代入（2）式得： 2*V BUS =121
21
21)(CS CS S u dt
u d C L L ++ (3) (3)式是一个“二阶常系数非齐次线性微分方程”，它的通解等于对应的齐次方程的通解加上它的一个特解，其对应的齐次方程为：
121
21
21)(CS CS S u dt
u d C L L ++＝0 （4） 对应的特征方程为：
01)(2
121=++s C L L S (5)
解之：S=±
1
21)(S C L L j +
令
ω=+1
21)(1S C L L ，
（4）式的解为： u CS1=K1cos ωt+K2sin ωt (6)
可求出（3）式的一个特解为：u CS1*=2V
BUS ，则（3）式的通解为： u CS1=K1cos ωt+K2sin ωt+2V BUS (7) 由于u CS1(0)=2V BUS ，所以K1=0，（7）式化为：
u CS1= K2sin ωt+2V BUS （8） 所以：
i S1=C S1
t C K dt
du S CS ωωcos 211
= （9） 由于i S1(0)=I ，所以K2=
1
S C I
ω，则（3）式的通解为： u CS1=
1
S C I
ω sin ωt ＋2V BUS (10） 所以
u CS1过充的电压(超过2V BUS 部分)为：
△U=
1
S C I
ω sin ωt （11） 其最大值为： △U MAX =
1S C I ω=1
21S C L L I + (12) 2、 变形的RCD SNUBBER 电路
计算u CE 的微分方程完全与RCD SNUBBER 一样，即：
△U MAX =
1S C I ω=1
21S C L L I + (13) 3、 RC SNUBBER 电路
电路简图如图14
图14
根据图有：
2*V BUS =11
1
2
12121)(CS CS S CS S u dt du C R dt u d C L L +++ (14) 对应的齐次线性微分方程为：
11
112
12121)(CS CS S S CS S u dt du C R dt
u d C L L +++＝0 （15） 其特征方程为：
01)(112
121=+++S C R S C L L S S S （16）
由于△＝R S12C 2-4(L1+L2)C S1的符号未知，所以（16）式的解有多种不同情况，这里只讨论△<0的情况，令1112
121
21)(CS CS S CS S u dt
du C
R dt
u d C L L +++，则：
S=-
2111])
21(2[)21(1
)21(2L L R C L L j L L R S S S +-+±+ （17）
令-
)21(21L L R S +＝α、211])
21(2[)21(1
L L R C L L S S +-+＝ωd ，则（15）式的解为：
u CS1=)sin 2cos 1(t K t K e d t
ωαα+ （18）
由于u CS1(0)=0，所以K1=0，则（18）式化为：
u CS1=t K e d t
ωαsin 2 （19）
所以： i S1==dt
du C cs S 1
1
C S1()cos 2sin 2t K t e K d d t ωωωαα+ （20） 由于i S1（0）=I ，所以K2=
1
S d C I
ω，则（15）式的通解为：
u CS1=
t e C I
d t S d ωωαsin 1
(21)
可以求出（14）式的一个特解u CS1*=2V BUS ，则（14）式的通解为： u CS1=
t e C I
d t S d ωωαsin 1
＋2V BUS (22)
所以u CS1过充的电压(超过2V BUS 部分)为： △U=
t e C I
d t S d ωωαsin 1
（23）
由于α<0，所以t
e α<1，则： △U (MAX)=
1
S d C I
ω （24）
四、三种SNUBBER 电路的比较
1、 U CE 的最大尖峰电压（C S 的最大过充电压△U (MAX)）
RCD SNUBBER ：△U 1=
1
S C I
ω
变形的RCD SNUBBER ：△U 2=
1
S C I
ω
RC SNUBBER ：△U 3=
1
S d C I
ω
因为ωd =
22αω-，所以△U 1＝△U 2<△U 3，即在同等条件下RC SNUBBER 电路抑
制电压尖峰的能力最差。

2、 开关管损耗
RCD 、RC 电路的C 中电荷要经过开关管泄放，开关管损耗较大；变形的RCD 电路的C 中电荷不会经过开关管泄放，开关管损耗较小。

3、 R S 功耗
RC 电路中的R S 在C S 充放电过程中都有损耗，损耗较大，令损耗为P RS1，则： P RS1=2
CS S U KC f
(f 为开关频率，K 为损耗系数，因为C S 中电荷不可能全部损耗在R S 上，所以K<1) RCD 电路中的R S 只在C S 放电过程中有损耗，损耗居中，令损耗为P RS2，则： P RS2=
2
2
1CS
S U KC f 变形的RCD 电路中的R S 只在C S 放电过程中有损耗，且C S 中的电压变化幅度为△U ，所以损耗最小，令损耗为P RS3，则： P RS3=
22
1
U KC S ∆ f 4、 EMI
三种电路都能降低di/dt ，从这方面看EMI 差不多。

RCD 电路降低了开关管关断过程的du/dt ，EMI 最好；RC 电路虽然也降低了开关管关断过程的du/dt ，但由于RC 常数较大，du/dt 比RCD 电路大，EMI 居中；变形的RCD 电路不能抑制开关管关断过程的du/dt ，EMI 最差。

五、3A3-15KS 逆变SNUBBER 电路设计
1、 允许C S 的过充电压△U
BUS 电压V BUS 最高取450V ，则2*V BUS =900V ，如果选用1200V 的管子，则 △U<1200-900V ＝300V
这里留有一定裕量，取△U ＝250V 。

2、 分布电感估算
布线电感的经验估算公式为：L=710)4
32(ln 2--d l l (H) 3A3-15KS BUS 电容与IGBT 间用长导线连接，其长导线为主要分布电感来源，正BUS 线长0.3m 、负BUS 长0.26m ，都采用10＃线，线径为0.003m ，所以有： L=2*0.56*710*)4
3003.056.0*2(ln --＝5.8*10-7H 3、 C S 选择
(先根据RCD SNUBBER 计算，软件限流点为90A ，实际上由于采样点在开关周期的中点，所以电流有超过90A 的可能，这里取I=100A 进行计算)
根据（12）式△U MAX =1
21S C L L I +有： C S1===∆+-27222250
)10*8.5(100)21(MAX U L L I 0.09*10-6 F=0.09uF 这里取104/1000V 电容。

4、 R S 损耗计算
(取损耗系数K=0.1)
RCD SNUBBER ：
P RS2=22
1CS S U KC =0.5*0.1*0.1*10-6*11502*19200=114W RC SNUBBER ： P RS1=2CS S U KC =0.1*0.1*10-6*11502*19200=228W
变形的RCD SNUBBER ：
P RS3=2U KC S ∆=0.5*0.1*0.1*10-6*2502*19200=6W
5、 SNUUBER 电路选择
从R S 损耗计算中可以看出，选择RCD SNUBBER 电路损耗会非常大，而选择RC SNUBBER 电路损耗会再增大一倍，因此需选择变形的RCD SNUBBER 电路（CLAMPING 电路）。

6、 D S 选择
根据上面的分析可以知道，在D S 开始导通的瞬间，D S 将流过所有的负载电流，软件限流点为90A ，实际上电流有超过90A 的可能，所以D S 的I FSM 应该大于150A ，这里选择RHRP15120(15A/1200V)，其I FSM =200A 。

7、 R S 选择
R S 是C S 中过充电压的放电电阻，一般选择放电时间常数R S C S <
3T ，所以： R S <Ω==-17419200
*10*1.0*3136S C T
由于变形的SNUBBER电路C S的放电电流不经过开关管，所以R S可以取得较小，使C S的过充电压尽快泄放，这里取R S为3个10OHM/5W的电阻串联。