缓冲电路设计及仿真

1、1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.1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di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Lp巴,pdt假设无缓冲电路,那么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.2降低器件损耗器件的功耗由下式决定：(1.1)1TPuidtT0在电路中增加缓冲电路

2、,可以改变器件的电压、电流波形,进而降低损耗.从下列图可知,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.参加缓冲电路后,预防了电压、电流出现同时最大值的情况,损耗得以降低.无缓冲电路3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,以保证器件平安可靠工作.2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

3、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Ctest,重新测量器件关断时的振荡周期T2.那么杂散电感可由下式得出：杂散电容为:其中fi为无缓冲电路时的振荡频率.3缓冲电路分类2-12)P一4二2Ctest1,二Lp(2二f)2(2.1)(2.2)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.RCRCDi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本钱较低.但这种缓冲电路随着功率等级的增大,会与直流母线寄

4、生电感产生振荡.RCD型缓冲电路那么可以预防这种情况,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,导致不能有效限制瞬变电压.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电感较小的优点.电路类型C型吸收电路RC型吸收电路RCD型吸收电路特点电路简单、本钱低、易产生振荡、会引起集电极电流升高结构简单、易造成过冲电压、会引起集电极电流升高克服过冲电压过高、过电压抑制效果较好、会引起集电极电流开局范围中等容量装置小容量、低频率装置小容量、低频率装置下表是针对直流母线电感量,以过冲电压100V为前提计算

5、出的推荐值,便于缓冲电路的设计.主舟线电感(nH)缓冲电路类型翟冲电路回路电感(nH)缓冲电容(UF)10A-SOA六令一域七型200A型200.1-0.4775A200A六合一或七合一型100A型200.62.050A20QA双单元100B型200472.030UA-60DA取单元508型203.06.0200A300A业单元50C型30-150.47400A第元50C型12LD600A一单元50.C型82,0uu_推荐说计值模块型号4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

6、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,从而到达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.4.1电容型缓冲电路50A).在高频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(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:ldVds(td-f+tf)=2cvdS(4.1)可得:4.2RC型缓冲电路(4.2)RC缓冲电路中,缓冲电阻R越小,缓冲电容越大,那么缓冲效果越明显,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

7、以热能的形式消耗在电阻R上,而电容上的存储的能量为：(4.3)其中,UDS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：12rPr=CsUdsf*n2(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：CsUDsf(4.5)缓存电容的选择要满足两个要求存储的能量要大,也就是要满足下式,首先,缓存电容能够存储的能量要比电路中杂散电感2csUds2aLp(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,那么：般情况

8、下,认为3倍的时间常数可以完成放电过程,(4.7)(4.8)此外,还要考虑放电电流不可太大.到：最后综合电阻功率与过压情况选择参数.综上所述,得Lp1%;CsU；SPrfuDs(4.9)3R.Cston其中ton=DT,D为占空比,T器件开关周期.所以DTRs-3Cs(4.10)Rccm电路又分为如下三类.其中,n型电路采用钳位瞬变电压,可抑制振荡发生,适用于中大容量器件2组I型缓冲电路,使用快恢复二极管,但缓冲电路的损耗很大.I型电路DT2.sin(k0th)其中,Zs=(Cs)2,k0=1(LC)1/2,h=arctanVcs0-Vdc/Zsi0可求得,当k0t-h=卅2时,电容Cs两端的

9、电压峰值：(2.17)Vcspk=Vdc+(Vcs(0)Vdc2十(Zsi(0)2广因此,可得：(2.18)pLLCs-22(Vcspk-Vdc)2-Vcs0-Vdc假设是忽略换流器件ucs的升高,可取：csCsIlLs2VcspkVdc(2.19)c)缓冲电容Cs放电阶段及缓冲电阻的参数计算谐振放能阶段结束后,Cs通过Rs、电源和负载放电.在放电期间,可认为负载是恒流源.有了负载后,可不考虑Ls、Lp对放电的影响.其等效电路图如下列图.IL电路方程为：(2.20)Vcs-Vdc.cdVcscsccs二i二-CsRsdt初始条件为:Vcs(0)=VCSpk=Vdc+(Vcs(0)-Vdc2+(

10、Zsi(0?212可求得在放电过程中：Vcst=Vdc1：U%e,RsCsdVcs.：U%VdclRsCsRs-Cs-Cs-edtRsRs-tCsln(Vcst-Vdc(2.(21)(2.(22)(2.(23)(2.(24)Vcspk-Vdc对于不同拓扑结卞的缓冲电路,允许Cs放电的最大时间各不一样.对于三相两电平拓扑结构其最大放电时间为Ts/3线性化换流时间和谐振放能时间相对很短,可忽略.对单相逆变器,其最大放电时间为Ts/2,假设当ucst=1.01Ud时认为Cs上的过电压放电完毕,且限定?U%=Ucsp：-UdX100%=15%,那么三相两电平拓扑下：Ud.TsRss一(2.25)3cs

11、ln153s21八2,2Prs=iR；Rsdt=Cs(U%Vdc)23fs=1.5Csfs(U%Vdc)2(2.26)Ts02由前面可知：PRs=1.5I2Lfs同理可求出单相拓扑下：-TsRss(4.27)2csln15PRs=1Lfs1缓冲二极管的选择缓冲二极管电压容量应与IGBT额定电压容量相当,且应选用快速软恢复二极管.在缓冲电路工作过程中,只有线性化换流阶段和Ls谐振放能阶段有电流流过缓冲二极管.在线性化换流阶段电流为iDs=Ilxk在谐振放能阶段电流由前面式可得为tfiDs=ILcosk0t-h忽略线性化换流阶段电压的变化,由此可得流过Ds电流的有效值x+2h3tft2k0Idsf

12、=(IL-)2dt+ILcos(k0t-h)2dtTs0tftf=Il1tf+Is34k0(兀+2h+sin2h)同理可得单相逆变器中二极管:Idsf=Il!2tf+-1-71+2h+sin2hIs32KU从上面的计算可以看出,大功率的IGBT电路要求缓冲回路的寄生电感非常小.在二程实现上可从三个方面到达上述要求.1选用无感型电阻、电容和快速恢复型二极管2缓冲回路尽量靠近IGBT.3尽量采用多个小的电容并联构成缓冲电容,由于越小的电容并联成的等效电容的寄生电感要比单个电容要小得多.4.3.2 n型RCD缓冲电路4.3.3 m型RCD缓冲电路in型出型RCD缓冲电路与前面的I型RCD缓冲电路工作

13、原理相似.以开关管T1关断时刻为起点,分析缓冲电路的工作原理,其工作过程可分为：线性化换流、母线寄生电感Lp谐振转移能量和缓冲电容Cs放电共3个阶段.1线性化换流过程此阶段从开关管T1接收关断信号开始到开关管T1完全截止结束.流过母线寄生电Lp的母线电流Io经T1和缓冲电路2条支路分流.由于这个过程时间极短,一般为纳秒级,故此过程中的电流、电压变化可线性化处理.由于实际的换流并非完全线性,因此在这个过程中会出现第一个电压尖峰图3中AUp1.这个尖峰是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管的正向恢复联合引起的.如果缓冲二极管采用与IGBT匹配的快恢复二极管,那么该电压尖峰主要取决于缓冲电路寄生电感Ls

14、,可估计出AUp1为：di?Up1=Lsp1sdt式中：Ls为缓冲电路的等效寄生电感；di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流变化率.2母线寄生电感Lp谐振转移能量过程及缓冲电容Cs的参数计算在线性化换流阶段结束后,开关管T1完全截止.此时,主回路寄生电感Lp与缓冲电容Cs产生谐振,Lp中储存的能量向Cs转移.当缓冲电容上电压UCs到达最大值UCspk,即谐振峰值时,谐振电流i为零,缓冲电路二极管Ds截止,箝位UCs预防有振荡.在这个过程中将出现第二个电压尖峰图3中AUp2o此尖峰主要是由母线寄生电感Lp引起,可以用能量守恒定律来确定AUp2:1Lpi2=：Cs?U22式中：Lp为母线寄生电

15、感；i为工作电流；Cs为缓冲电容值；AUp2为缓冲电压峰值.如果已经确定了AUp2的限定值,那么可用式2确定缓冲电容Cs的值：s?Up23缓冲电容Cs放电阶段及缓冲电阻Rs的参数计算在第二阶段结束之后,缓冲电容Cs上过冲能量通过缓冲电阻Rs、电源和负载放电.在放电过程中,近似认为负载是恒流源.由于负载的存在,可不考虑L&Lp对放电的影响.其等效电路图如下列图所示.电路方程：Ucs-Ud_dUcs-CsRssdt初始条件为：Ucs0=Ucspk=Ud+?I在Cs放电阶段：tUcst=Ud+?Up2eRs可得：Ucs-UdCsln?dUcs?Up2-tics=-Cs=eRsCscssdtRs对于不

16、同拓扑结构的缓冲电路,允许Cs放电的最大时间也各不一样.为保证开关管T1再次关断前,能将储存在Cs中的过电压能量90%放电,求取缓冲电阻Rs的方法如下,f为交换频率.缓冲电阻值值也会相应增加.1Rs&3CsfRs如果设定过低,由于缓冲电路的电流振荡,IGBT开通时的集电极电流峰因此,应在满足上式的范围内尽量将Rs设定为高值,参数可按下式校验:1LpRs2C；4)缓冲二极管Ds的选择首先,缓冲二极管电压容量应与IGBT额定电压容量相当.其次,缓冲二极管的瞬态正向电压下降是关断时发生尖峰电压的原因之一.此外,一旦缓冲二极管的反向恢复时间加长,高频交换动作时缓冲二极管产生的损耗就变大,反向恢复急剧,

17、并且缓冲二极管的反向恢复动作时IGBT的C-E间电压急剧地大幅度振荡.综上所述,缓冲二极管应选择电压容量适宜,瞬态正向电压低,反向恢复时间短,反向恢复平顺的二极管.5缓冲电路的仿真分析及选取为分析杂散参数对电路工作及器件的特性的影响,对以SiCMOS为开关器件的三相全桥逆变电路利用pspice进行仿真.电源电压Udc=800V,主回路寄生电感Lp=200nH,工作频率50kHz,负载电流有效值为78A.仿真主电路如下列图.无仿真电路时的电路波关周期上的波形,从图中可以看出,在没有缓冲电路时,电路发生振荡,上臂电流过冲至130A,上臂电压过冲至1.5kV,且损耗较大.因此,需要参加缓冲电路,以保

18、护器件正常工作.图中红色曲线为电流波形,蓝色曲线为电压波形,绿色曲线为负载电流波形.当上桥臂关断时,杂散电感电压发生过冲振荡.通过仿真选定缓冲电路形式及缓冲电路组数1组或者3组或者6组,为每个桥臂添加0.7uF的电容做缓冲电路,仿真结果如下：从图中可以看出,电压过冲明显减小.6缓冲电路应用的考前须知在以SiCMOSFE,开关器件的主电路中,造成SiCMOSFE项坏的主要原因有三个：漏源过压损坏、栅极过压损坏、过热损坏.为预防前两种损坏的发生,采用缓冲电路解决.此外,栅极过压损坏的原因主要是由于主电路中的杂散电感带来的.因此如何尽量减小主回路中的杂散电感成为功率主电路设计中必须考虑的问题.这对逆

19、变器电路设计者提出了一个挑战,由于器件本身的外形尺寸及热设计要求较长的功率回路接线,采用传统的母线电路,这些较长的线路中将会有更多的寄生电感,使缓冲电路的设计变得很困难.为了得到一种适合大电流工作的低母线电感电路,就需要特殊的母线结构,由交错镀铜层和绝缘层构成的迭层母线设计,可以使电感量降低.迭层母线中被绝缘层隔离的宽板用于正极和负极母线的联接,这种宽板起到了预防功率回路中寄生电感的作用,为了使母线电感尽量到达最小,宽平正、负母线极板把开关器件与主电容组相连接.从前面的分析可知,缓冲电路在关断过程中将出现两个电压尖峰,第一个电压尖峰出现在换流阶段,此电压尖峰主要由缓冲电路寄生电感引起的；第二个电压尖峰出现在Lp谐振放能阶段,此电压尖峰是由于LP储能的释放引起的.同时在缓冲电容Cs放电阶段,由于缓冲二极管的反向恢复特性,还将出现振荡.应此,如何有效抑制两次电压尖峰以及如何使SiCMOSFE取端压快速稳定是SiCMOSFE或冲电路设计时所要解决的主要问题.为有效抑制第一个电压尖峰,应尽量减小缓冲电路的杂散电感Ls减小SiCMOSFET关断时的di