开关过程与缓冲技术sg(1)

开关管Q的负载线
根据Q的ic和uce时域波形作出负载线： 负载线：分析缓冲原理的有效手段
开关管Q的负载线分析
要解决的问题:改善关断负载线： 直流负载线: A-C 开通负载线: A-B-C 在低损耗区 关断负载线: C-D-E-A 在高损耗区,甚至超出安全区 要解决的问题:改善关断负载线
RCD关断缓冲通过电容延缓Q管两端电压变化 第一种是限制继电器的两端电压变化 改变电容位臵，同样可以限制Q管电压变化
电流连续时缓冲电路
开通缓冲电路与“关断缓冲”对偶： 目的－－限制dic /dt 电路－－由串联电感 原理－－1) dic /dt限制； 2) L2储能释放
设计思路： 继电器电路中，电感电流断续，其开通时负载 线经过低损耗区。 利用这一特性设计开通负载线整形电路。 功率管回路串联小电感缓冲开通时，电流增加 速度。
缓冲电路（三）
第三种关断缓冲电路：RCD吸收（再改进） 典型关断负载线整形电路: R1C1D1
缓冲电路（三）
关断过程分析： 1）Q关断瞬间： 关断前(Q导通期间)uc1 已充 至E c 关断时, iL通过D1-C1泄放 但uc不能突变→ uce从0慢慢 上升 2）Q关断稳态： C1放电，电容上电压为零
关于开通缓冲电路 ： （1）开通缓冲电路的本质——L与Q的串联限制了ic的增长速 度，针对开通的电流来缓冲；由此区分关断和开通缓冲电路； （2）开通缓冲电路的不同画法——L、D、R组成，D、R串 联与L并联，由Q关断时L电流的流向定D的方向。
复合缓冲电路
复合缓冲电路： 电路同时具有开通缓冲和关断缓冲作用 电路形式也是两种电路的复合
缓冲电路（一）
第一种关断缓冲电路：二极管缓冲 Q关断时，iL 通过D1泄放 →uce电压箝位至Ec iL = ic+ iD1 D1导通，则uce＝Ec
缓冲电路（一）
Q的电流电压波形分析
缓冲电路（一）
负载线分析
缓冲电路（一）
Q关断负载线对比 降低了电压应力（工作电压与额定电压的比值） 但是仍掠过高损耗区
（2）截止损耗产生的原因 截止瞬间开关器件电流不能马上降为0, 而电压已经从0上 升, 在开关器件上产生电压电流交替现象。电流不能马上为0 的原因是, 与开关器件连接的电路中有寄生电感, 阻碍电流变 化。并且逆变电路中变压器是电感元件, 当开关突然关断时, 变压器电感元件电流不能突变,并会产生很大的反激电压, 阻 碍电流变化, 通过电路加在开关管上, 产生比较大的损耗。提 高开关速度不但不能消除损耗, 反而会使反激电压越大,损耗 更大。 提高器件开关频率，开关损耗会随之地增大。 3.减耗方法 减小开关损耗一方面要尽可能地制造出具有理想开关特性的 器件,另一方面利用新的线路技术改变器件开关时期的波形, 如:晶体管缓冲电路,谐振电路,和软开关技术等。
1.全控器件的开关过程


（4）关断：通态→断态，
开通过程中，工作 点如何从C过渡到A ? 关断过程中，工作 点如何从A过渡到C ?
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2.全控器件的安全工作区
安全工作区（SOA）： 晶体管可安全工作的电压和电流范围，限定条件： VT<VCEO：KE线左侧 iT<ICM：NE线下方 Pt<PM，功率限制线(RFX)左下侧
晶体管缓冲电路(即加吸收网络技术) 早期电源多采用此线路技术。采用此电路, 功率损耗虽有所 减小,但仍不是很理想。 ①减少导通损耗在变压器次级线圈后面加饱和电感, 加反向 恢复时间快的二极管,利用饱和电感阻碍电流变化的特性, 限 制电流上升的速率,使电流与电压的波形尽可能小地重叠。 ②减少截止损耗加R 、C 吸收网络, 推迟变压器反激电压发生 时间, 最好在电流为0时产生反激电压,此时功率损耗为0。该 电路利用电容上电压不能突变的特性,推迟反激电压发生时间。 为了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。 但是此电路有明显缺点:因为电阻的存在,导致吸收网络有损 耗。
器件开关轨迹开通轨迹CBA关断轨迹ABC 部分轨迹超出了安全工作区！
如何使开关轨迹总处于安全工作区之内？ (1)降低电源电压Vd或减小负载电流Io，使B点进入SOA边界线 内。但可控功率（Vd×Io）却大幅减小。 (2)为改进这一情况，在晶体管外围附加缓冲电路，以优化开 关轨迹。
§3-2 缓冲电路
电路工作原理：开关瞬态过程 1） 开通过程: Q饱和导通，ic按指 数上升，直到ic =Ec/R 电流从零开始→ 电感电流断续
开关瞬态过程分析
2） 关断过程: ic下降→ L感应高 电势 (因为di/dt 大) 与Ec一起加在Q上 直至击穿电压 U(BR)ceo 当ic 降到0时， Uce=Ec
电流不连续时缓冲电路
1.电感电流不连续时功率管的缓冲电路 下面以继电器电路为例，研究缓冲的意义和方法 继电器驱动电路 L-R为继电器线圈等效电路
电路稳态过程分析
电路工作原理： 稳态过程 1）S闭合时，Qoff iL＝0，J不动作 2）S断开时，Qon iL≈Ec/R， J 动作
开关瞬态过程分析
复合缓冲电路： 关断之前（导通）： L2上电流为iL2 ，C1上电压为0，为关断缓冲 提供基 础。 On → Off ： D1导通， C1充电电流，Q上电压缓慢上升
复合缓冲电路： 开通之前（关断稳态）： C1上电压为Ui L2电流通过D2 R2泄放，为开关缓冲提供基础 Off →On ： L2串联，Q管集电极电流缓慢上升
缓冲电路（二）
第二种关断缓冲电路：电容缓冲 在继电器两端并联电容 或在Ｑ管两端并联电容
缓冲电路（二）
并电容法关断过程分析： 电感电流由电容电流续流 假设C足够大，电感电流 下降时电容电压变化不大。 由于电容电压不能突变， 所以保证了Q上电压缓慢 变化，关断负载线得到很 大优化。
缓冲电路工作原理： Qoff:稳态时,iL2=0,iD=iL; Q off-on:开关转换时iL不变, iL2=iL-iD。由于L2与Q的串联限制了 ic的增长速度,起到了开通缓冲 的作用。 Q on:开通稳态时，iC=iL Q on-off: iL2经D2、R2流通，则增大了Q的关断电压。R2与能量 消耗相关，与L2电流下降时间和附加电压大小有关。
缓冲电路比较
比较两者的开通负载线 二极管缓冲不影响开通特性 RCD缓冲由于在开通时由于RC充电略增损耗
电感电流断续时关断缓冲作用
RCD关断负载线整形（关断缓冲）电路的作用： 1） 限制uce 2） 限制uce上升速度，减少ic、uce波形重叠，从而减小 Q开关损耗。
RCD缓冲电路的另一种电路
•缓冲电路：又称吸收电路，其作用是改善开/关过程电压电流 变化曲线,从而改善开关管的开通/关断损耗，di/dt，du/dt以及 电流/电压尖锋，提高变换器的可靠性。 •缓冲电路的基本工作原理：是利用电感电流不能突变的特性 抑制器件的电流上升率，利用电容电压不能突变的特性抑制器 件的电压上升率。 •图示以GTO为例的一种简单的缓冲 电路。其中L与GTO串联,以抑制GTO 导通时的电流上升率dI/dt,电容C和 二极管D组成关断吸收电路，抑制 当GTO关断时端电压的上升率dV/dt， 其中电阻R为电容C提供了放电通路。
缓冲电路（二）
并电容法开通过程分析： 初始态：电容电压为0， Q上电压为Ec。 开通瞬时Ｑ管电流除了 负载电流还有电容充电 电流。 由于电容电压上升慢， 且电流的幅值变大，所 以开通负载曲线得到恶 化。
缓冲电路（二）
并电容法负载线程分析： 关断负载线C-F-A进入低损耗区， 但开通负载线A-B'-C'-C进入过损耗区
缓冲电路一般由电阻、电容和二极管组成，常和开关管或二 极管（包括高频整流二极管）并接，使开关管上电压的应力 减少、EMI减少，使负载线的轨迹不超过安全工作区，不发 生二次击穿。 •缓冲电路有多种形式，以适用于不同的器件和不同的电路。 （1）关断缓冲电路（du/dt抑制电路） 吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断 损耗。 （2） 开通缓冲电路（di/dt抑制电路） 抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 （3）复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结 合。
第三章 开关过程与缓冲技术
§3-1 开关过程分析
§3-2 缓冲电路
§3-3 开关损耗及器件应力
§3-1开关过程分析
利用电力电子器件组成开关电路，可实现各种电力变换和 控制。 电力晶极管、场效应晶体管以及绝缘栅双极性晶体管等全 控型开关器件常用于高频电力变换和控制。开关过程对这 些器件的安全运行和工作特性影响较大。 虽然电力晶极管是电流驱动型全控器件，而电场效应晶体 管和绝缘栅双极性晶体管是电压驱动型全控器件。但它们 在驱动信号作用下的开通过程以及在撤除驱动信号后(或施 加反向驱动)的关断过程是类似的。
谐振电路 该电路只改变开关瞬间电流波形,不改变导通时电流波形。只 要选择好合适的L 、C ,结合二极管结电容和变压器漏感, 就能 保证电压为0时,开关管导通或截止。因此, 采用谐振技术可使 开关损耗很小。 软开关技术 该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开 关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在 反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比 较大的时侯, 电流已经为0。
缓冲电路（三）
开通过程分析： 2）Q开通过程： D1截止，C1充电，使ie 增加一项ic1 3）Q导通期间： C1通过R1充电至Ec，回 至关断时初态
缓冲电路（三）
Q的电流电压波形（带R1C1D1）
缓冲电路（三）
负载线分析（带R1C1D1）
缓冲电路比较
将RCD缓冲与二极管缓冲比较 首先比较两者的关断负载线 二极管缓冲损耗高，RCD关断损耗低
无损缓冲电路
原理： 1）Q开通时，L1限制ic 上升速度 2）Q关断后，磁元件中的能量送回源端
§3-3开关损耗及器件应力
影响电力电子器件/装臵可靠性的因素 热应力：温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分 之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。 又称变温应力。
开关损耗
1.开关损耗=开通损耗+关断损耗 （1）开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗。 （2）关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗。 2.产生的原因 （1）导通损耗产生的原因 导通瞬间开关器件电压的不能马上降为0, 而电流从0已上 升,因此在开关管上产生电压电流交替现象,而产生损耗电压 不能马上降为0的原因是开关器件上有寄生电容,电容上电压 不能突变,即不能马上降为0, 从而产生功率损耗。在导通过程 中,寄生电容的储能通过开关器件放掉而损失。