电力半导体器件关断时过电压的分析

电力半导体器件关断时过电压的分析

由于电路中电压半导器的开路，产品关断过程中存在较大的扰动和dud，这对设备的安全运行有重大影响。当设备是电力秤时，它会导致相反的偏转和二次破裂。为了避免过度的损坏和dud，通常在电路上设计缓冲区（吸收电路），以确保开关元件的安全运行。此外，缓冲区电路可以减少关断损失。1主要电源和缓冲区电路1.1等效电路设计逆变器主电路及其保护电路如图1所示.主电路由开关元件T1～T6所组成的三相逆变桥构成,Vd为直流母线电压,此直流电压经过三相逆变桥进行斩波逆变为三相交流电压驱动三相电机运转.图1中虚线框内Rs、Ds、Cs为开关元件过电压保护电路(缓冲电路),在器件关断时减小电流的变化率,从而减小器件两端的关断电压.考虑元件的分布电感的影响,电路的等效电路如图2所示.1.2关断时的lsdidt对于逆变器的开关元件两端,产生过电压的原因主要有以下2点:(1)由于电路中引线电感的存在,当器件开通时,母线电流经由器件流过负载,当器件截止关断时,引线电感电流在器件关断时突变产生过压的LsdidtLsdidt;(2)由于续流二极管反向恢复电流irr引起过电压LsdirrdtLsdirrdt.因此,为了减少开关元件所承受的过电压,除了选取合适的元件,如选用反相恢复电流小的二极管和进行电路板的合理布局,即减小引线电感,以及改进驱动方式,采用软关断技术外,在电路中设计必要的缓冲保护电路是不可缺少的.图1中虚框内所给出的一种缓冲保护电路一般可用于5kW内逆变器系统开关元件的保护.1.3最大限度地担保器件两端关闭以减少c缓冲电路工作过程可以简单分析如下:当开关管T截止时,原来流过引线电感Ls的电流通过Cs、Ds旁路,从而将Ls上的储能转移到Cs,避免在器件关断时由于电流突变,引起在器件两端产生很高的电压尖峰,因而大大降低了在开关管截止瞬间在其两端所产生的过电压;当开关管T导通时,Cs的储能通过开关管T、缓冲电阻Rs释放,从而使其两端的电压下降到母线电源电压Vd,为下次的缓冲吸收作好准备.2电路保护部件的参数计算2.1换流过程拟似线性化以开关元件T1的关断为例,来分析关断时刻T1两端的电压变化,并由其所能允许的工作电压容限来进行吸收电容Cs的正确选取.T1的关断可分为2个过程:(1)缓冲电路与T1的换流过程,在T1截止的下降沿,Ls上流过的电流经由Ds、Cs及T1两条支路分流,其等效电路如图3所示;(2)Ls、Cs谐振,Ls放电的过程,Ls储存的能量经由Ds、Cs释放,并储存到Cs上,其等效电路如图4所示.将换流阶段T1管的电流拟似线性化,由图3列方程:iΤ=ΙL(1-t/tf),ics=Ιds=t(ΙL/tf),iΤ+ics=ΙL.iT=IL(1−t/tf),ics=Ids=t(IL/tf),iT+ics=IL.当换流过程结束时,则有:ucs=1Cs∫icsdt=Vd+ΙLtf/2Cs=ucs(0)；ucs=1Cs∫icsdt=Vd+ILtf/2Cs=ucs(0)；Ls谐振放电过程列电路方程为:Vd=Lsdidt+ucs=LsCsd2ucsdt2+ucs‚Vd=Lsdidt+ucs=LsCsd2ucsdt2+ucs‚结合电路的初始条件:i(0)=ΙL‚ucs(0)=Vd+ΙLtd/2Cs.i(0)=IL‚ucs(0)=Vd+ILtd/2Cs.可求解得ucs(t)=Vd+(ucs(0)-Vd)cos(ω0t)+Zsi(0)sin(ω0t)=Vd[(ucs(0)-Vd)2+(Zsi(0))2]1/2sin(ω0t-φ).式中,Zs=(Ls/Cs)1/2,ω0=1/(LsCs)1/2,φ=arctan[(ucs(0)-Vd)/Zsi(0)].可求得,当ω0t-φ=3.14/2时,电容Cs两端的电压峰值:Vcspk=Vd+[(ucs(0)-Vd)2+Ζsi(0)2]1/2‚因而有Cs=LsIL/[Vcspk-Vd)2-(Vcs(0)-Vd)2]为所求,若忽略在换流期间ucs的升高,可取:Cs=LsΙL/(Vcspk-Vd)2.2.2换流期间t流过吸收二极管Ds的电流在开关管换流期间和Ls谐振期间的电流分别为:iDs(t)=ics(t)=ΙLt/tf,0≤t≤tf,(1)iDs(t)=ics(t)=Csducsdt=ΙLcosω0t,,tf≤t≤π/2ω0,(2)式(2)中忽略了换流期间的电压变化,电流波形如图5示,并由此可求:ΙDs=3Τ[3.14/2ω0∫0i2dsdt]1/2=3ΤΙL[π(1-sin2ω0tf)/4ω0-tf/6]1/2.2.3放电过程中cs上的电压吸收电容Cs的放电等效电路如图6示.由该等效电路列方程:(Vcs-Vd)/Rs=i=-Csducsdt,结合初始条件ucs(0)=Vcspk=Vd+[(ucs(0)-Vd)2+(Zsi(0)2]1/2,可求得在放电过程中ucs(t)=Vd[1+ΔV%exp(-t/RsCs)]‚iRs=Csducsdt=ΔV%exp(-t/RsCs)Vd/Rs‚ΡRs=3ΤsΤs/3∫0i2RsRsdt=12Cs(ΔV%)23fs.由主电路及其缓冲电路工作过程可知,对于三相公共的缓冲电路,其工作频率应为此3fs(即在Ts/3内应放完Cs上的过电压),若假设在ucs=1.01时视为Cs上的过电压放电过程完成,且在限定ΔV%=15%时可求得:Rs=Τs/3Csln15;ΡRs=1.5Csfs(ΔV%Vd)2.3仿真实验结果在开关元件选用IGBT,当选取Vd=300V,Ls=200nH,Fs=10kHz,Cs=0.47μF,IL=50A的条件下进行了仿真实验,仿真波形如