半桥逆变snubbber电路教材

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/d （ 很大，由于线路存在分布电感，所以会引起很大的电压尖蜂，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髙岀许多，开关损耗也较大，当UPS 功率很 大时（额圧电流很大），开关管的选取将变得异常困难：同时，过髙的di/dt 将产生严重的 EML 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EML 一、常用SNUBBER 电路的种类
1、RC SNUBBER （如图 1）
图1
2、RCD SNUBBER （如图 2）
★BUS
+BUS
-BUS
D1
Rsl
L
--
Rloai
c
Cl^r^
Ql
/-
DI
y
j | 严s2 D 或 c
Q2 心
D2 ! 3E 厂
C2
卞
|fc Jk :
-BUS
图2
3、变形的RCD SNUBBER 电路（CLAMPING 电路，如图3）
EUoad
Rsl
Q1
C2^r^
Rs2
Q2
D2
"Csl
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Ucsi=O, U CS 2=2*V BUS
（如图4, 红
色箭头表示电流流向九
-BUS
图4
2、当QI 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 CEI 升高，
随之Ds 】开通，一部分电流转移到Csi 成为Csi 的充电电流，Q1上电流减小, Cs2经Rs?、R LOAD 进行放电（如图5）。

Cl^T^
Q2
D1
八
Rload
D2
Ik
IT
图3
Csl
Dsl
| Rs 2
Q1
-BUS
图5
3、QI 完全关断（恢复阻断能力）后，U CE 】大于正负BUS 之和，D2开始正偏置，在 D2的正偏
置电压没有达到苴开通阈值电压之前不能及时导通，Cs 】继续过充电，Cs2 继续放电（如图6）。

图6
4、Csi 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，Cs?放电（如 图
7）。

Cl^T^
Dsl
丄Rs 2 Ds2
—C
1 D
2 k
QI
Rload
Q2
-BUS
图7
5、D2完全续流，Csi 放电，Csi 上过充的能量一部分消耗在Rsi 上，另一部分反馈到+ BUS
（如图 8）。

Cl^T^
Q2
-BUS
Ik
_____
J
Rs 2 Ds2
—C
「立
Cs ： 2
Dsl
QI
D2
Rload
-BUS
图8
6、Csi 放电完毕，U CEI =2*V BUS , U CS 2=0, D2进入稳态续流（如图9）。

+BUS
Cl^r^
Q2
<—
DI
Ch
D2
Ik
jRs2
IT
Rload
Dsl
QI
-BUS
图9
7、Ql 再次开通，Ql 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Csi 、Rsi 、Ql 构成Cs 】的放电回路，Ql 、D S 2、Cs2构成Cs2的充电 回路（图10）o
图10
8、D2的反相恢复完毕，Q1上流过负载电流I,同时，Csi 的放电、Cs2的充电仍然继 续
（图11）.
Cl^r^
Ql
Rsl
IE O
Dsl
Rload
Q2
Ch
D2
L
丄Rs
2
-BUS
-BUS
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
根据上面对电路工作过程的分析可以知道过程4冲Ug达到最大，其值约等于Ucsu 将电路再次呈现在下而（图13）。

由电路有：
2*V BUS=厶—+ M CSI一L.也乂（1）
dt CS， - dt
由于iL2=I-isi,代入（1）式得：
di
2*V BUS=（厶 + 厶）一—+ "⑶（2）
-dt
由十isi=Gyi ♦代入（2）式得：
dt
2*V BUS=（厶 + L2）C S1i + lies]⑶
（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：
（厶 + LJCs\――^- + "csi =0 ⑷
dV
对应的特征方程为：
（厶 + 厶2）5]疋+1 = 0 （5）
解之：S=± 「」一——
丫（厶 + 厶2）Csi
令1- = （4）式的解为:
、/（厶 + 厶2）C$i
Ucsi=Klcos 3 t+K2sin 31
可求出(3)式的一个特解为:UCSI=2V B US,则(3)式的通解为: Ucsi=Klcos a〉t+K2sin s t+2V B us (7)
由于UCSI(O>=2V BUS»所以K1=O, (7)式化为：
Ucsi= K2sin 3 t+2Veus (8)
所以：
isi=Csi""('i = K2C S{cocosa)t(9)
dt
由于W所以d才则⑶式的通解为:
si
—sin ^t+2V B us
si
(10)
所以ucsi过充的电压（超过2VBUS部分）为:
AU= ------ sin t (11)
其最大值为:
, I r (L1 + L2
AU MAX=—-—= 1： ------
V Cc.
(12)
2、变形的RCD SNUBBER电路
计算W E的微分方程完全与RCD SNUBBER -样，即:
AU MAX=——
IL1 +
L2 =G.
(13)
3、RC SNUBBER 电路电路简图如图14
J?load
-BUS
图14
根据图有:
2*V BUS =（厶 + L 2 ）C S 1 —+ R S}C ―汁 + "⑶ （14）
dt~ at
对应的齐次线性微分方程为：
（厶 + g 器 + Rsd 牛 + S =。

（ 15）
dr at
英特征方程为：
（厶 + 厶）C“S ■ + R$\C s\S + 1 = 0 （16）
由于△ = R S |2C24（L1+L2）C SI 的符号未知，所以（16）式的解有多种不同情况，这里只
d 2 « “I
讨论△<（）的情况，令（厶+厶）Cs]+心（？经竺+“⑶，贝叽
dr dt
(17)
ucsi=£ 力(Klcosa/ + K2sin<y#f) (18)
由于U CSIWF O 所以Kl=0,则(18)式化为：
ucsi=a"K2sin0‘ (19)
所以：
isi=C v ： =Cs\(aK2e a
^ sincot + ©K2costy”) (20) dt
由于isi （o> =I»所以K2=———，则（15）式的通解为:
co d C s\
Ucsi= ----- sin co d t (21)
gCs 、
可以求出(14)式的一个特解U CS 「=2V BUS ,则(14)式的通解为:
I a
Ucsi= ----- e sin co d t +2V BUS (22)
co d C s\
所以Ucsi 过充的电压(超过2V BUS 部分)为：
I &
AU= ------- k sine 屛 (23)
叫5 令・ 2(厶 1 + L2)
薔去込禹则⑴）式的解为:
2(厶1 +厶
2)
由于« <0,所以0力vl,贝IJ：
(24)
AU(MAX)= ----------- -
叫5
四、三种SNUBBER电路的比较
1、U CE的最大尖峰电压（Cs的最大过充电压厶U（MAX））
RCD SNUBBER： AUi= ---------
0 Qi
变形的RCD SNUBBER： AU2= --------
RC SNUBBER： AU3=----------
因为3尸如一&2 ,所以△ U I =AU2<AU3，即在同等条件下RC SNUBBER电路抑
制电压尖邮的能力最差。

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、Rs功耗
RC电路中的Rs在Cs充放电过程中都有损耗，损耗较大，令损耗为P RSI，贝IJ：
P RSI= KCs" :$f
（f为开关频率，K为损耗系数，因为Cs中电荷不可能全部损耗在Rs上，所以K<1）RCD电路中的Rs只在Cs放电过程中有损耗，损耗居中，令损耗为P RS2,贝9：P RSF*
KCsU.f
变形的RCD电路中的R s只在Cs放电过程中有损耗，且Cs中的电压变化幅度为△U, 所以损耗最小，令损耗为PRS3,贝9：
1 7
PRS3=-ATC s Af/2f
4、EMI
三种电路都能降低di/dt,从这方而看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，EW1I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Cs的过充电压AU
BUS电压V BUS最髙取450V,贝ij 2*V BUS=900V,如果选用1200V的管子，贝lj
AU<12OO-9OOV=3OOV
这里留有一泄裕量，取△U=25OV°
2、分布电感估算
2/ 3
布线电感的经验估算公式为：L=2/(ln —--)10"7 (H)
d 4
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,都釆用10#线,线径为0.003m,所以有:
3、Cs 选择
(先根据RCD SNUBBER il •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1=100A 进行计算) 心式7詈有'
这里取104/1000V 电容。

4、Rs 损耗计算
（取损耗系数K=0.1） RCD SNUBBER ：
P RS2= - KCs U 二=0.5*0.1*0.1*1 O'6
* 11502* 19200= 114W 2
RC SNUBBER ：
P RSI = KC S U CS =0」乜 1 * 106* 11502*l 9200=228W
变形的 RCD SNUBBER ：
P RSS = KCsHU 2 =0.5*0.1 *0.1 * 10 6*2502* 19200=6W 5、SNUUBER 电路选择
从Rs 损耗计算中可以看岀，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、Ds 选择
根据上面的分析可以知道，在Ds 开始导通的瞬间，Ds 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Ds 的I FSM 应该大于150A,这里选 择 RHRP1512O(15A/12OOV),其 I FSM =200A°
7、Rs 选择
Rs 是Cs 中过充电压的放电电阻，一般选择放电时间常数RsCs<-,所以:
3
T 1
Rs< --- = ----------- ------ = 174G
3Cs 3*0.1*10" *19200
由于变形的SNUBBER 电路Cs 的放电电流不经过开关管，所以Rs 可以取得较小，使 Cs 的过充电压尽快泄放，这里取Rs 为3个10OHM/5W 的电阻串联」 L=2*0.56*（In
Csi=
MAX 2502。