缓冲电路设计及仿真

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。 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。 降低器件损耗

已知器件的功耗由下式决定：

1T

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

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。 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。

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。因此在大功率场合可用RCD 缓冲电路，该缓冲电路既可有效抑制振荡还具有回路寄生

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。

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。

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)

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：

2

22

p R

s DS

DS

L I P C U fU <<

(4.9)

3s s

DT

R C <<

(4.10) 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