第1章 缓冲及吸收电路

电力电子技术

PowerElectronics

缓冲吸收电路

学习目的1）由于电路的结构，开关损耗总是存在的2）在高频运行时开关损耗很大，必须重视3）减小开关损耗的基本方法4）本章内容是广义的5）是“软开关”概念的基础6）应用的基础内容在参考教材中（元件、软开关章节）缓冲电路作用：1）将电压与电流的值保持在安全工作区(SOA)内

2）确保器件的电压/电流变化率足够低，以保证器件能正确和可靠工作

3）限制器件在开关时的功率损耗

4）消除二极管的正向电压恢复与反向电流恢复的影响二次击穿限制电流限制功率限制电压限制VI第1节关断缓冲电路1.1关断损耗与SOA假定相关的波形从初值到终值作直线变化当三极管关断时，其典型的电压、电流波形如图注意到只有当三极管两端的电压达到vdc时，二极管D的反压才能解除。而D导通后，三极管Q中的电流才会改变。vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc+vQ

若开关频率为20KH，则三极管中的能耗为100W假定关断时间tf=0.5微秒，Idc=50安，Vdc=400伏每个关断过程的能量损失是：迭加在三极管的SOA中的关断轨迹图VI1231vQVdcIdciQ230tff1.2基本的关断缓冲电路DIdc+VdcCQ由于电容C提供了第三条路径，Q关断时VQ变化引起iQ下降。电容C控制着VQ从零上升到Vdc的上升率。当C足够大，iQ下降到零时，VQ只上升到Vdc的很小的一部分。结果三极管的功耗比无C的情况要小得多。

vQiQ0tfIdcVdc加入电容后的关断轨迹关断轨迹Vi123例1：如何选择电容的值上图中的三极管电流在t=tf时达到零，三极管两端的电压是Vdc在t=0与t=tf

的过渡期间VQ按平方规律变化。在关断过程中三极管总的能量损耗是：

若选择CS的值，使=0.2，并假定tf=0.33微秒，则Wdiss=0.12焦尔。在t=0与t=tf间电容器的电流是：电容所充的电荷是t=0与t=tf间内对电容电流的积分电容值为：1.3实际的关断缓冲电路电阻RS的作用是限制当三极管再次导通时电容的放电电流。二极管DS的作用是在关断期旁路电阻。DSIdc+VdcRS电阻必须足够小，以保证在Q在可能的最小导通时间内完全地放电；但同时它又应足够大以防止放电电流超过Q的额定值。第2节导通缓冲电路2.1导通损耗与SOA假定相关的波形从初值到终值作直线变化当三极管导通时，其典型的电压、电流波形如图vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc+vQ

在iQ等于Idc前，vQ必定维持为Vdc

当负载电流完全由二极管换到三极管后，D关断vQ下降到零。导通期间三极管的电压与电流不为零，这将产生开通损耗和使开通轨迹超出SOAVI321导通损耗计算与关断损耗相同。将tf用tr来代替即可

1vQVdcIdciQ23trf02.2基本的导通缓冲电路

iQvQ0trVdcIdcDIdc+VdcLSQ缓冲电感与三极管串联当加入电感后，导通期间由于电感LS两端产生自感电压，三极管两端电压不再是Vdc。由于LS中电流的上升率正比于1/LS，选择LS值可使vQ到零时三极管电流仅为Idc的一个分数值假定=0.33，tr=0.1微秒，损耗为：加入电感后的开通轨迹123iQvQ0trVdcIdc导通轨迹Vi123开通轨迹在SOA内2.3实际的导通缓冲电路

图中，三极管关断时电阻为电感电流提供了通道；二极管的作用是避免在导通期电阻导电。电阻R应在三极管的断态使电感完全放电DIdc+VdcLQ例2：确定开通缓冲电路中各元件的值LS可由关系=LsI求出。在t=tr、iQ=Idc时可由电感电压的积分求出式中：Vdc=400伏、Idc=50安、i=0.33、tr=0.1微秒第3节组合导通／关断缓冲电路要实现导通与关断缓冲两个功能，可以将单独的导通和关断缓冲电路组合起来DIdc+VdcLQ第一种方法：一个标准的由RCD关断缓冲电路与一个导通缓冲电感LS联接。ａ）在导通时，除Cs的放电电流叠加到iQ中外,其它与原电路完全相同。但实际上不需要这样做。为简化电路我们采用别的组合方法。ｂ）关断时，在t1时刻前，与前述相同。但在t1时刻当Vc=Vdc和DR导通后，LS仍流过电流iL=Idc，因此Ｃs和LS会振荡1/4周期，直到iL=0，D关断，Rs阻尼这个过渡过程。VdcIdctf<t<t1vc(tf)=VdcVdct1<t<t2vc(t1)=VdciL(t1)=IdcVdcIdciQ0<t<tfvc(0)=0Idc+VdcCSRLSQiQt2VQ0tfvQiLt1IdcVdcVdct2<tvc(t2)=Vdc+vc

iL(t2)=0Q两端因振荡产生的电压增量为

例3：计算组合缓冲电路产生的瞬变电压若CS=0.066微法，LS=1.2微亨。三极管的电压峰值VQ=Vdc+VC=613伏该值相对Vdc较大，说明这种组合缓冲电路可能会增大开关的电压应力。第二种方法：一个标准的RLD开通缓冲电路与一个关断缓冲电容CS联接。ａ）在关断期间，除了电阻两端的放电电压（缓冲电感中的电流续流）对vQ有影响外，vQ和iQ的波形与原始关断电路波形一样。ｂ）在导通期间：注意到电容CS上有电压初值在tr时刻vQ=0。以后LS线性充电，在t1达到Idc，此时，续流管DR关断。在这一段时间前，Ds反偏压vC=Vdc。当DR在t1时刻关断后，由于CS上的电压的原因，LS和CS振荡，直到t2时刻vC=0，然后Ds导通iQ以过阻尼方式稳定在Idc。三极管中的峰值电流发生在t2时刻，并且等于VdcIdciQ0<t<triQ(tr)=Idcvc(t1)=VdciL(t1)=Idctr<t<t1VdcIdciQIdc+VdcCSRLSQvQt2IQ0triQvct1vdcIdcvc(t2)=0iL(t1)=Idc+ILt1<t<t2VdcIdciQvc(t2)=0iL(t1)=Idct2<tVdcIdciQ第4节缓冲电路的另一种布置方法关断缓冲电路的作用是控制vQ的上升率。如果控制Q的集电极与地间的电压也就能控制vQIdc+VdcCSRLS+VdcIdc开通缓冲电路控制开关过程中电流的上升率。这种联接对iQ的控制效果与电感串联时的效果是一样的

主电路有“寄生”现象，特别是在高频时。例如，三极管、二极管和输出电感相联的节点对其它节点有分布电容。有“关断缓冲电容”的作用。同样地，寄生电感具有导通缓冲电路的作用。第5节

缓冲电路的损耗

缓冲电路中的储能将被损耗掉。例如关断缓冲电路中的电容在Q开始关断时储能为零，关断过程结束时被充到Vdc。当Q再次导通CS中的储能就在RS上消耗掉。5.1单独的导通/关断缓冲电路在开关关断时刻，电容储能：W=CSVdc2/2电容为储能为

式中，直流电压电流值用与前边相同的数据

这比无缓冲电路时能耗大(tf/2tffv)倍v越小，缓冲作用越大，但同时损耗越大。导通缓冲电路中电感的储能W=LSIdc2/2。损耗为：电感为：同样，损耗的能量比无缓冲电路时大。5.2组合导通/关断缓冲电路组合电路1的电容电压最终超过电源电压的值。所以，电容峰值储能为可重写为第一项正好是当两个缓冲电路不组合时损耗的能量最后一项由CS中的储能产生。这部分能量通过电容的放电电流送回到输入电源去。组合缓冲电源的实际能耗等于不组合时的能耗

5.3断缓冲电路引起的损耗若将三极管及其并联的关断缓冲电路当作一个独立的开关，关断过程中电压电流和功率如图所示+Idcis0vsVdctftf/2v这个开关的特点：元件两端的电压几乎线性上升。到达到Vdc时二极管导通，负载电流续流。开关本身耗能与Vdc、Idc和关断时间成正比。但有缓冲电路时，过渡过程的时间比无缓冲电路的情况要大tf/(2tffv)倍，所以它吸收的能量相应地增大了。同理可得，由三极管和导通缓冲电路吸收的能量将比无缓冲电路的三极管工作时吸收的能量大tr/(2trfi)倍。加入耗能缓冲电路降低了电路的总效率，但半导体开关本身的损耗却减小了。第6节

能量回收型缓冲电路如果组合缓冲电路以20KH的频率工作，其能耗为

iQvc1iLvc1它为变换器输出的2.6%，设占空比为0.25。具有能量回收能力的关断缓冲电路

当Q关断时，二个电容构成两个并联关断缓冲电路电感不起作用，因为D3总是反偏。+D1D2D3DC1LC2vQ当Q再次导通时，其电流在tr时刻上升到Idc，在这点D关断，vQ开始下降直到零。trIdc若tr远小于LC的振荡周期，可认为这时电路由C2、D3、L和C1组成，并由幅值为Vdc的阶跃电压激励。电路的响应是一个二阶振荡，该振荡持续半个周期，直到iL企图变负，D3关断。若两个电容相等，它们均被充电到Vdc。总的电容电压是VC1+VC2=2Vdc该缓冲电路不耗能。电容储能来自电源；在关断过程中储能传送给负载。通常这种缓冲电路采用不等值电容器。较小值的电容总会被充到Vdc，结果是至少一个电容可用来控制VQ的上升率。第7节

电压钳位电路Idc+Vdc调节电路电容器已经被充电到最大允许电压VC（钳位电压）。调节电路使电容电压保持不变。当VQ达到VC时，二极管D引导负载电流到CC。如果CC足够大，它会在开关过程的其余时间内吸收负载电流，其电压不变。回路中具有寄生电感是需要电压钳位的原因

选择合