y缓冲电路的设计

1、y缓冲电路的设计基于IGBT逆变桥缓冲电路的设计对于不同的电力电子器件，缓冲电路的功能有所不同。IGBT的缓冲电路有 其自身特点：1、IGBT的安全工作区范围较大，不需要保护抑制二次击穿极限, 只需控制瞬态电压；2、一般应用中，IGBT的工作频率较高，在每次开关过程 中缓冲电路都要通过IGBT或自身放电，可能带来校大的损耗。对于像IGBT这种高频开关器件，线路杂散及分布电感可起到开通缓冲的 作用；另外，在大容量的应用中，由于经常用于感性负载，也可起到开通缓冲 的作用oIGBT的工作频率经常高达20-50RHZ,即使大容量应用一般也在5kHz, 因此很小的电路电感就可能引起很大的Ldi/dtt从

2、而产生过电压危及IGBT的安 全，故IGBT的缓冲电路的功能更侧重于开关过程中过电压的吸收和抑制。1 IGBT逆变桥无源无损缓冲电路的提出1.1传统的IGBT逆变桥RCD缓冲电路图1是用于IGBT逆变桥的几种常用的缓冲电路。图a)是最简单的单电容电路，适用于小容量的IGBT模块，对于抑制瞬变 电压非常有效且成本较低。由于电路中无阻尼元件，随功率增大，易与线路杂 散电感产生LC震荡，故应选择无感电容或串入电阻。图b)是一个单元RCD缓冲电路，由于其中的快恢复二极管可钳位瞬变电 压，从而可抑制谐振的发生。但随着功率等级的进一步加大，这种电路的回路 寄生电感会变得很大，以至不能有效控制伽因此，一般用

3、于小容量IGBT 逆变桥。图c)是钳位式RCD缓冲电路，是实际应用较多的缓冲电路。该电路将电 容上过冲能量部分送回电源，因此损耗较小，被认为是适合大功率IGBT的缓 冲电路。(a)(b)(c)图1三种常用的IGBT缓冲电路在上述RCD缓冲电路中，由于使用电阻来为缓冲电容提供放电通路，消耗 了部分能量，降低了电路的效率。1.2 一般逆变桥无损缓冲电路的研究为了减少缓冲电路带来的额外能量损耗，国内外许多专家学者都在研究适 用于逆变桥的无损缓冲电路。分析已有的各种无损缓冲电路，可以得出以下两 点：需要有缓冲吸收元件，用来控制开关器件的瞬变电流和瞬变电压，实现开关 的零电流开通和零电压关断，故一般都串

4、联一个开通缓冲电感L和并联一个 关断缓冲电容C；需要有缓冲吸收元件无损释放所吸收能量的辅助电路，或是转移其吸收的能 量的其他储能元件及其无损回馈电能的辅助电路。由于辅助电路元件的组合可以千变万化，而人们也在研究桥臂开关共用缓 冲电感或者缓冲电容的方法，以减少元件数目、简化电路结构，因此缓冲电路 的形式可以有很多变化。尽管缓冲电路的具体电路构成可以有许多变化和不同，但所有适用于逆变 桥的无源无损缓冲电路是有一些共性和特点的，可以利用这些特点组合出一种 甚至多种不同拓扑的无源无损缓冲电路。1.3 IGBT逆变桥无源无损缓冲电路的提出首先，IGBT作为一个经常用在开关频率5kHz-20kHz.大容量

5、应用的开关 器件，可以先不考虑开通缓冲电路，只考虑关断过电压及二极管反向恢复过电 压的抑制。其次，关断缓冲电容Cs的布置。图lc)RCD缓冲电路是一种对称结构。从 工程应用方面考虑，工业上己有专为IGBT生产的缓冲电容模块，甚至己有图 lc)中的RCD缓冲电路集成模块，故采用后一种布置更能适应模块化的发展趋 势，更容易大规模地应用到实际电路中去。因此，本文中也采用这种拓扑布置 缓冲电容。(a)(b)图2钳位式无源无损缓冲电路的提出第三，缓冲电容中能量的转移和回馈。分析已有的无损缓冲电路，电容能 量的恢复大多需要电感作为能量转移的中间环节，结合图lc)RCD缓冲电路中电 容能量的转移路径，考虑用

6、电感元件b替代RCD电路中的电阻元件，并且为 了避免振荡，串联一个导流二极管。电路如图3.2a)所示。最后,考虑到在上述缓冲电路工作的过程中，当IGBT开通时，对管缓冲 电容充电和对管放电电感。的影响，增加了开通缓冲电感心，布置位置按照电 路的要求串联在两个开关之间的主电路中。至此，提出了本文的钳位式IGBT逆变桥无源无损缓冲电路，具体见图2b) 2本文逆变桥无源无损缓冲电路的理论分析2.1工作状态分析本文缓冲电路的特点在于缓冲电容与辅助放电电感及导流二极管串联，交 叉接至直流电源，可以看出，G/,和的电压将不低于电源电压。缓冲电 容吸收的能量通过一个小电感释放，即限制了放电冲击，又不消耗能量

7、，而且, 小电感中的能量有多个路径可以返回到电源和负载。理论分析以及电路图中使用的符号说明如下：Ud：直流电源电压皿山)：负载等效电流源Ti、T2i上下桥臂开关管6、D2：桥臂开关反并二极管%、Id：门两端电压、门电流Ch、Dsli缓冲电容、对应的缓冲电容辅助二极管开通缓冲电感S、Dh：放电辅助电感和对应的辅助导流二极管在下面的分析中，有一些假定：1）所有元件具有理想特性；2）负载为较强感性负载；3）直流电源电压恒定；4）考虑到实际应用中一般都会设死区时间，分析中按有死区考虑。以下对无源无损缓冲电路在感性负载下的工作状况作了理论分析，图3画 出了电路中以门为主的相关各电量的波形（T2的工作过程

8、与此类似），可以把波 形分为几个时段进行分析，图中主要按死区时间划分了时段。图4是电路在各 个时段的等效电路。1、0到厂时段：门稳态导通，心关断，门两端电压/为零，门的电流人/ 等于负载电流，%,等于, Dp, 截止。r3 t4e5b) t2"3bsi图3缓冲电路各电量理论分析波形0图4缓冲电路的工作状态变化图2、力至b时段：乃关断，电流人拖尾下降，感性负载电流由加回路和卩2的反并二极管0续流，门两端由引线电感及开通缓冲电感弓I起的关 断过电压由d吸收钳制，Ch的电压上升。门电压在关断瞬时，由于D”导通，等于Ucsid,然后随着d的电压上升，加截止，Ti电压下降直至等于T2电压,等于

9、S/2。而当G/的电压大于切后，开始经由厶/向电源返回能量，b电流逐 渐上升。在D”导通时，厶/电流还可以经由D”向负载返回能量。3、b至口时段：C开通，门电压又等于,负载电流以与前半周期相反方向经C流通，G,的电压逐渐降回U/。C开通瞬间，电源经C$/、Dsi、厶/、Ls2 和门向d充电，乙电流由加、厶/和门流通，C稳态导通后，厶剩余能量主 要由C“返回电源和经T2向负载返回能量。4、/3至2时段：丁2关断，过渡过程与门关断相似，丁2相应电量的变化与 77对偶。相似地，门两端电压瞬时降为零，又上升至S/2。5、4至（5时段：门又开通，门电压降为零，门电流在引线电感、缓冲电感以及感性负载作用下

10、逐渐上升，然后门进入稳态导通。 然后，又一个周期开始。2. 2损耗分析理论上，本文提出的无源无损缓冲电路没有采用耗能元件，故缓冲电路上 没有电能损耗。但是，缓冲电路中二极管的损耗和串在主电路中的开通电感都 会在实际上带来一些损耗。由图3可以看到，逆变桥开关IGBT的损耗主要是关断损耗，导通损耗和 开通损耗很小可以忽略。为便于估计IGBT的关断损耗，我们考虑把关断期间的电压电流线性化， 而且，假设在至弓时段，电压由S线性下降为S/2,在至22 2时段，电压等于S/2：电流的下降时间等于死去时间，即在至2时段，由"线性下降至。记t2-Ld，则：UU厂学2(OS争仔"S(0<

11、;r<rrf)这样，就可以估算IGBT的关断损耗几:由于钳位式缓冲电路中，缓冲电容的电压在开关关断前的初值为,而不是零，使得关断时IGBT的电压上升率比较大，故对于IGBT的关断损耗的减 小没有太大作用。由于电路在关断时的工作状况与传统RCD缓冲电路相同，其关断电能损耗 的估算也大体相同。但是，在开通损耗方面可能随开通缓冲的作用大小而有所 不同。总体来看，由于几乎没有开通损耗,IGBT的损耗还是比硬开关条件下减少 许多。3本文逆变桥无源无损缓冲电路的参数计算3. I缓冲电容G的选择缓冲电容G的参数选择与传统RCD缓冲电路中G的选择原则相同，一般 根据电路容许的电压超调量来选择。按照能量守

12、恒定理，缓冲电容吸收的能量等于直流母线的等效电感释放的 能量，则有如下等式：(式中，厶为等效引线电感，为负载电流)由上式可见，引线等效电感越大、负载电流越大、抑制过电压效果越好, 所需的缓冲电容G就越大。3.2辅助放电电感厶和开通缓冲电感厶的选择缓冲电容中能量释放可分为两个阶段：一、门关断(Q0)到Q开通(QA/, td 为死区时间)；二、卩2开通(Q0)到放电结束。b) td < t < T/2图5缓冲电容放电等效电路阶段一，缓冲电容G的能量的放电回路为等效引线电感厶,、直流电源、 辅助放电电感厶。阶段二，缓冲电容能量的放电回路除了上述路径外，还可以 经负载、开通缓冲电感厶、开关

13、门放电。两个阶段的放电等效电路见图5。由 于L/«Lrf Ls, Lloadf图中忽略了引线电感考虑到直流电源的电压波动很 小，假定电源电压恒定等于S。门关断(/")到Ti开通(=切门关断，缓冲电容G的电压很快上升，为简化计算，认为G的电压在f" 时刻即已达最大值，即“c$(0)=U/+4Z辅助电感乙在时刻的电流初值为i=0o则由等效电路图町可列出如下方程:( di、5+十戶LQ(1)由 ”C£(0)=Ud+4S wo(°°)=Ud 解方程得:把t=td代入(2)式，就得到t=td时刻的“曲切和i(td)。(2)门开通(fS)到放电结

14、束门开通，缓冲电容G多了一个放电回路一经负载、开通缓冲电感厶、开关 门放电。分析等效电路图b),由于ig,所以力对回路2的影响很小。负载上 的电压降也可以等效为两部分，一部分为电流i2产生的电压降，可认为恒等于 W2,另一部分为电流S产生的电压降。这样，就可以进一步简化为两个独立 的等效电路，见图6。a)b)图6阶段二的简化等效分析电路列出电路方程如下(记LJLs+S： '：-c %匕+心+碍叫 化卡+丛1 2- dt(3)求解中第三式得到：=寻-篇启记L=Lr+U, R=Rload,由中前两式得到：LC,学陀如+ %呵dt1dt这是一个常系数二阶微分方程，根据R是否大于2电路分为非振

15、荡放电心 2)和振荡放电(R<2再)两种情况。考虑到希望缓冲电路非振荡放电，求的方程(5)在临界情况时的解：心=%(0) + 人(0)-如(0"/ +S则i产 7 警=/ A (0)+A (0) At -九 2% (0)/其中，2 = -,由式(2)可得初值：2LA(o)=缓冲电容要在丁2开通期间放电完毕，则要求在时刻t=T/2-td前，“cs和"都 等于零。根据(7)式，可得辅助电感乙和开通缓冲电感厶要满足的限制条件：T R 丁 最后.在满足LW 牛和式的厶和厶中，选择一个较小值作为限值。实 4际中为了很快放电完毕，选择的厶和厶一般都较上述限值小的多。4本逆变桥无源无损缓冲电路的不足虽然本文中提出的钳压式无源无损缓冲电路消耗功率较少，能够较好地钳 制IGBT的关断过电压，但是也存在一些不足。首先，使用的缓冲电路元件数目较传统RCD电路增加了 4个