1、1緩沖電路作用緩沖電路一般并聯(lián)在開關(guān)器件兩端，主要有抑制過電壓、 降低器件損耗、消除電磁干擾的作用。1） 抑制過電壓逆變器高頻工作時， 開關(guān)器件快速開通、 關(guān)斷。由于主電路存在雜散電感，器件在開關(guān)過程中，急劇變化的主電路電流會在雜散電感上感應(yīng)出很高的電壓，使器件在關(guān)斷時承受很 di高的關(guān)斷電壓。在器件關(guān)斷時，主電路雜散電感上會產(chǎn)生與直流電壓同向的感應(yīng)電壓Lp巴，p dt若無緩沖電路，則該電壓會加在器件兩端形成過電壓，當(dāng)該電壓超過器件額定電壓時，器件損壞。此外，反并聯(lián)二極管在反向恢復(fù)時產(chǎn)生的di/dt也會導(dǎo)致較高的過電壓。2）降低器件損耗已知器件的功耗由下式?jīng)Q定：(1.1)1 TP uidtT

2、0在電路中增加緩沖電路，可以改變器件的電壓、電流波形，進(jìn)而降低損耗。從下圖可知，在沒有緩沖電路時，電壓快速升至最大值，而此時電流依然是最大值，此時的損耗最大。 加入緩沖電路后，避免了電壓、電流出現(xiàn)同時最大值的情況，損耗得以降低。無緩沖電路3）消除電磁干擾電路運(yùn)行時，在沒有緩沖電路的情況下， 器件兩端電壓會發(fā)生高頻振蕩，產(chǎn)生電磁干擾。采用緩沖電路，可抑制器件兩端電壓的高頻振蕩，起到減小電磁干擾的作用。因此，降低或消除器件電壓、電流尖峰，限制 dI/dt或dV/dt,降低開關(guān)過程中的振蕩 以及損耗，我們在逆變器中設(shè)計(jì)緩沖電路，以保證器件安全可靠工作。2雜散電感的測量與計(jì)算設(shè)計(jì)緩沖回路之前，首先需要

3、確定雜散參數(shù)的量。雜散電感是特定電路布局的結(jié)果，不容易計(jì)算出來，我們一般采用測量的方法來確定雜散電感的大小。在沒有任何緩沖回路時，用示波器觀察器件關(guān)斷時的振蕩周期T1;接著，在開關(guān)管兩端并聯(lián)一個值確定的電容，即測試電容Ctest,重新測量器件關(guān)斷時的振蕩周期T2。則雜散電感可由下式得出：雜散電容為:其中fi為無緩沖電路時的振蕩頻率。3緩沖電路分類2 -12)p 一 4 二2Ctest1，二Lp(2二 fi)2(2.1)(2.2)緩沖電路主要分為如下三類，分為C型緩沖電路、RC型緩沖電路、RCD型緩沖電路。RC®RCDi圖C緩沖電路適用于小功率等級的IGBT,對瞬變電壓非常有效且成本較

4、低。但這種緩沖電路隨著功率等級的增大，會與直流母線寄生電感產(chǎn)生振蕩。RCD型緩沖電路則可以避免這種情況，由于快恢復(fù)二極管可以箝位瞬變電壓，從而抑制諧振產(chǎn)生。在功率等級進(jìn)一步增大時，此種緩沖電路的回路寄生電感會變得很大，導(dǎo)致不能有效控制瞬變電壓。因此在大功率場合可用RCD緩沖電路，該緩沖電路既可有效抑制振蕩還具有回路寄生電感較小的優(yōu)點(diǎn)。電路類型C型吸收電路RC型吸收電路RCD型吸收電路特點(diǎn)電路簡單、成本 低、易產(chǎn)生振 蕩、會引起集電 極電流升高結(jié)構(gòu)簡單、易造成過 沖電壓、會引起集電 極電流升高克服過沖電壓過高、過電壓抑制效果 較好、會引起集電極 電流開局范圍中等容量裝置小容量、低頻率裝置小容量、

5、低頻率裝置下表是針對直流母線電感量，以過沖電壓100V為前提計(jì)算出的推薦值，便于緩沖電路的設(shè)計(jì)。主舟線電感 (nH)緩沖電路 類型翟沖電路回路 電感(nH)緩沖電容 ( 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 雙單元100B型200472.030UA-60DA 取單元508型203.06.0200A300A業(yè)單元50C型30-150.47400A 第元50C型12LD600 A 一單元50 .C型82,0 u u_推薦說計(jì)值模塊型號4緩沖電路工作原理及計(jì)算線路因雜散電感會產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌高壓

6、，這種浪涌電壓如果不加以抑制 ，可能會造成功率開關(guān)器件的損壞。而減少這種浪涌電壓的途徑有2種，一是采用層狀母線結(jié)構(gòu)，降低母線寄生漏電感；另一種方法是安裝緩沖電路。緩沖電路在開關(guān)器件關(guān)斷時工作，起到提供旁路的作用， 從而達(dá)到抑制尖峰電壓的目的 ，同時還可以減小功率器件的開關(guān)損耗。4.1電容型緩沖電路<50A)。在高頻電容型緩沖電路在器件開通時有浪涌電流，因此用于小電流應(yīng)用場合( 場合下，為減小損耗，也會考慮這種拓?fù)洹８鶕?jù)能量轉(zhuǎn)移關(guān)系，要求在器件開通過程中將吸收的能量釋放:IdVds (t d- f + tf)=2 CVds(4.1)可得:4.2 RC型緩沖電路(4.2)RC緩沖電路中，緩沖

7、電阻 R越小，緩沖電容越大，則緩沖效果越明顯，但是要考慮電 阻R上的損耗。器件關(guān)斷時，電容C儲存能量，在下一次器件開通時， 電容中的能量以熱能的形式消耗 在電阻R上，而電容上的存儲的能量為：(4.3)其中，UDS為器件關(guān)斷電壓。又在電阻上消耗的能量與每個周期電容的充放電次數(shù)成正比, 因此在電阻上消耗的能量為：12 rPr = CsUds f * n2(4.4)其中f為器件工作頻率。n為每個周期電容電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)，半橋電路中，每個周期電容電壓 發(fā)生兩次轉(zhuǎn)換，因此 n取2,即：Pr= CsUDs f(4.5)緩存電容的選擇要滿足兩個要求 存儲的能量要大，也就是要滿足下式,首先，緩存電容能夠存儲的能量

8、要比電路中雜散電感2csUds2 /I(4.6)其次，緩沖電路的時間常數(shù)要比功率器件導(dǎo)通時間短,這樣在開關(guān)管導(dǎo)通的時候存儲在緩存電路中的能量才能夠釋放完畢, 則：般情況下，認(rèn)為3倍的時間常數(shù)可以完成放電過程,(4.7)(4.8)此外，還要考慮放電電流不可太大。 到：最后綜合電阻功率與過壓情況選擇參數(shù)。綜上所述，得LpI2% ; Cs UdsPrfu Ds(4.9)2 JCs < RsDT<3Cs(4.10)3R.Cs < ton其中ton =DT , D為占空比，T器件開關(guān)周期。所以DTRs -3Cs4.3 RCD緩沖電路RCDm電路又分為如下三類。其中，n型電路采用鉗位瞬變

9、電壓，可抑制振蕩發(fā)生，適用于中大容量器件2組I型緩沖電路，使用快恢復(fù)二極管 ，但緩沖電路的損耗很大。I型電路將RCD緩沖電路直接并接在橋臂兩端 ，這種電路抑制器件關(guān)斷瞬態(tài)電壓的效果好，而抑制器件開通時的瞬態(tài)電壓效果稍差。出型緩沖電路由于每個元件有各自獨(dú)立的吸收電路，既可抑制關(guān)斷浪涌電壓，緩沖電路的損耗又很小，適合于大功率電路。n型田型電路類型特點(diǎn)RCD吸收電路（I 型）過電壓抑制效果好、 不會引起集電極電 流上升、附加損耗 小、吸收回路寄生電 感較大RCD型）吸收電路（出過電壓抑制效果好、 不會引起集電極電 流上升、附加損耗 小、吸收回路寄生 電感小適用范圍中等容量、較高頻率 裝置大容量、高頻

10、率裝置4.3.1 I型緩沖電路RCffi緩沖電路工作過程可以簡單分析如下：當(dāng)開關(guān)管T截止時，原來流過引線電感 Ls的電流通過Cs、Ds旁路，從而將Ls上的儲能轉(zhuǎn)移到 Cs避免在器件關(guān)斷時由于電流突變，引起在器件兩端產(chǎn)生很高的電壓尖峰，因而大大降低了在開關(guān)管截止瞬間在其兩端所產(chǎn)生的過電壓；當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時，Cs的儲能通過開關(guān)管 T緩沖電阻Rs釋放，從而使其兩端的電壓下降到母線電源 電壓Vd,為下次的緩沖吸收作好準(zhǔn)備。以開關(guān)T1關(guān)斷時刻為起點(diǎn)來分析緩沖電路的工作原理，其工作過程可分為3個階段，即線性化換流、雜散電感 Lp諧振放能、緩沖電容 Cs放電。a) 線性化換流過程此階段從開關(guān)T1接收關(guān)斷信號

11、開始到開關(guān) T1完全截止結(jié)束。流過Lp的母線電流經(jīng)T1 和緩沖電路2條支路分流。由于此過程時間很短，一般為納秒級，因此可將此工作過程中電壓、 電流的變化線性化來處理。其等效電路如下圖：Lp設(shè)線性化換流過程持續(xù)的時間為tf,由上圖得：I L - i D S i cs(2.11)(2.12)iDS vIL。-;) tfics =IL ；- tf當(dāng)t = tf時，即換流過程結(jié)束，有：1Lt,Vcs - icsdt =Vdc * =Vcs(0)Cs2Cs在此過程中，開關(guān)器件 1端的電壓為Ucs+ Lsddcs ,由于實(shí)際的換流過程并非完全線性，因此在過程中會出現(xiàn)第一個電壓尖峰，且此電壓尖峰與母線電流I

12、L、緩沖電路寄生電感 Ls、關(guān)斷時電流的g有關(guān)。 dtb)雜散電感Lp諧振放能階段線性化換流階段結(jié)束后，開關(guān)完全截止。主回路雜散電感Lp與緩沖電容Cs諧振，Lp中儲存的能量通過 Cs泄放當(dāng)Vcs達(dá)到諧振峰值時，回路電流i為零，緩沖電路二極管 DS截止, 鉗位ucs防止振蕩的發(fā)生。在此過程中將出現(xiàn)第二個電壓尖峰，且此電壓尖峰是由雜散電 cs感Lp引起，在下面的分析中可看到，該電壓尖峰與母線電流Il、雜散電感Ld、緩沖電路p寄生電感Ls、緩沖電容Cs有關(guān)。這一過程的等效電路如下圖：LpDs電路方程為:初始條件為:L = Lp Ls(2.13)2、,V = L-di V = LC d-VCs Vdc

13、css 2 csdtdt(2.14)ILtf(2.15)i(0)=lL； Vcs(0)=Vdc+ f 2cs由電路方程得：(2.16)Vcs t =VdcVcs 0 -Vdc cos k0tZsi 0 sin k0t= Vdc +(Vcs(0)Vdc 2 +(Zsi0)2.sin(k0t h) 其中，Zs=(Cs)2 ,k0 = 1 (L C )1/2，h = arctanVcs0 -Vdc/Z si0 可求得，當(dāng)k0t - h =卅2時，電容Cs兩端的電壓峰值：(2.17)Vcspk =Vdc +(Vcs (0 )Vdc 2 十(Zsi (0 )22 因此，可得：(2.18)P LLCs -

14、22(Vcspk -Vdc)2 - Vcs 0 -Vdc若是忽略換流器件ucs的升高，可取： csCsIlLs2Vcspk Vdc(2.19)c)緩沖電容Cs放電階段及緩沖電阻的參數(shù)計(jì)算諧振放能階段結(jié)束后，Cs通過Rs、電源和負(fù)載放電。在放電期間，可認(rèn)為負(fù)載是恒流源。有了負(fù)載后，可不考慮Ls、Lp對放電的影響。其等效電路圖如下圖。IL電路方程為：(2.20)Vcs - Vdc . c dVcs cs ccs二 i 二-CsRsdt初始條件為:Vcs(0 )=Vcspk =Vdc +(Vcs(0 )Vdc 2 +(Zsi(0212可求得在放電過程中：Vcs t =V11.：U%e,RsCsdVc

15、s.：U%VdCc/RsCs Rs - Cs - Cs-edt RsRs-tCsln(Vcs t -Vdc(2.(21)(2.(22)(2.(23)(2.(24)Vcspk -Vdc對于不同拓?fù)浣Y(jié)卞的緩沖電路，允許Cs放電的最大時間各不一樣。對于三相兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其最大放電時間為 Ts/3 （線性化換流時間和諧振放能時間相對很短，可忽略）。對單相逆變器，其最大放電時間為 Ts/2,假設(shè)當(dāng)ucs t = 1.01Ud時認(rèn)為Cs上的過電壓放電完畢，且限定 ?U% = Ucsp： Ud X100% = 15%,則三相兩電平拓?fù)湎拢?Ud.TsRss一(2.25)3csln153 s 21八 2

16、76;,2Prs =iR；Rsdt =Cs( U%Vdc)23fs =1.5Csfs( U%Vdc)2(2.26)Ts 02由前面可知：PRs= 1.5I2Lfs同理可求出單相拓?fù)湎拢?TsR s s(4.27)2csln15PRs = I2Lfs1）緩沖二極管的選擇緩沖二極管電壓容量應(yīng)與IGBT額定電壓容量相當(dāng)，且應(yīng)選用快速軟恢復(fù)二極管。在緩沖電路工作過程中，只有線性化換流階段和 Ls諧振放能階段有電流流過緩沖二極管。在線性化換流階段電流為iDs = Il xk在諧振放能階段電流由前面式可得為 tfiDs = ILcos（k0t - h）（忽略線性化換流階段電壓的變化，由此可得流過Ds電流的

17、有效值x+2h3 tf t2k0Idsf = (I L-)2dt + IL cos(k0t - h)2 dtTs 0tftf=Il1t f + I s34k0(兀+ 2h + sin2h)同理可得單相逆變器中二極管:Idsf= Il !【2tf+ 3（兀+ 2h+ sin2h）T s 3 2KU從上面的計(jì)算可以看出，大功率的IGBT電路要求緩沖回路的寄生電感非常小.在二程實(shí)現(xiàn)上可從三個方面到達(dá)上述要求.1）選用無感型電阻、電容和快速恢復(fù)型二極管2）緩沖回路盡量靠近IGBT.3）盡量采用多個小的電容并聯(lián)構(gòu)成緩沖電容，因?yàn)樵叫〉碾娙莶⒙?lián)成的等效電容的寄生電感要比單個電容要小得多。4.3.2 n型R

18、CD緩沖電路4.3.3 m型RCD緩沖電路in型出型RCD緩沖電路與前面的I型 RCD緩沖電路工作原理相似。 以開關(guān)管T1關(guān)斷時刻為 起點(diǎn)，分析緩沖電路的工作原理，其工作過程可分為：線性化換流、母線寄生電感Lp諧振 轉(zhuǎn)移能量和緩沖電容 Cs放電共3個階段。1）線性化換流過程此階段從開關(guān)管 T1接收關(guān)斷信號開始到開關(guān)管T1完全截止結(jié)束。流過母線寄生電Lp的母線電流Io經(jīng)T1和緩沖電路 2條支路分流。由于這個過程時間極短，一般為納秒級， 故此過程中的電流、電壓變化可線性化處理。由于實(shí)際的換流并非完全線性，因此在這個過程中會出現(xiàn)第一個電壓尖峰（圖3中A Up1）。這個尖峰是由緩沖電路的寄生電感和緩沖

19、二極管的正向恢復(fù)聯(lián)合引起的。如果緩沖二極管采用與IGBT匹配的快恢復(fù)二極管，則該電壓尖峰主要取決于緩沖電路寄生電感Ls,可估計(jì)出A Up1為：di? Upi = Ls p1 sdt式中：Ls為緩沖電路的等效寄生電感；di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的電流變化率。2）母線寄生電感Lp諧振轉(zhuǎn)移能量過程及緩沖電容Cs的參數(shù)計(jì)算在線性化換流階段結(jié)束后，開關(guān)管T1完全截止。此時，主回路寄生電感 Lp與緩沖電容Cs產(chǎn)生諧振，Lp中儲存的能量向Cs轉(zhuǎn)移。當(dāng)緩沖電容上電壓 UCs達(dá)到最大值UCspk,即諧 振峰值時，諧振電流i為零，緩沖電路二極管Ds截止，箝位UCs防止有振蕩。在這個過程中將出現(xiàn)第二個電壓

20、尖峰 （圖3中A Up2）o此尖峰主要是由母線寄生電感Lp引起，可以用能量守恒定律來確定 A Up2:1Lpi2 = 2Cs?U22式中：Lp為母線寄生電感；i為工作電流；Cs為緩沖電容值；A Up2為緩沖電壓峰值。如果已經(jīng)確定了 A Up2的限定值，則可用式（2）確定緩沖電容 Cs的值：s ?Up23）緩沖電容Cs放電階段及緩沖電阻 Rs的參數(shù)計(jì)算在第二階段結(jié)束之后，緩沖電容 Cs上過沖能量通過緩沖電阻 Rs、電源和負(fù)載放電。在 放電過程中，近似認(rèn)為負(fù)載是恒流源。因?yàn)樨?fù)載的存在，可不考慮L& Lp對放電的影響。其等效電路圖如下圖所示。電路方程：Ucs - Ud _ dUcs=-CsR

21、ss dt初始條件為：Ucs 0 = Ucspk = Ud + ? I在Cs放電階段： tUcs t = Ud + ?Up2e Rs 可得：Ucs - U dCsln?dU cs ? Up2 - _t_ ics = - Cs = e RsCs cs s dtRs對于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的緩沖電路，允許Cs放電的最大時間也各不一樣。為保證開關(guān)管 T1再次關(guān)斷前，能將儲存在 Cs中的過電壓能量90%放電，求取緩沖電阻 Rs的方法如下，f為 交換頻率。緩沖電阻值 值也會相應(yīng)增加。1Rs & 3CsfRs如果設(shè)定過低，由于緩沖電路的電流振蕩,IGBT開通時的集電極電流峰因此，應(yīng)在滿足上式的范圍內(nèi)盡量將

22、Rs設(shè)定為高值，參數(shù)可按下式校驗(yàn):1 LpRs>2 Cs4) 緩沖二極管Ds的選擇首先，緩沖二極管電壓容量應(yīng)與IGBT額定電壓容量相當(dāng)。其次， 緩沖二極管的瞬態(tài)正向電壓下降是關(guān)斷時發(fā)生尖峰電壓的原因之一。此外，一旦緩沖二極管的反向恢復(fù)時間加長，高頻交換動作時緩沖二極管產(chǎn)生的損耗就變大，反向恢復(fù)急劇，并且緩沖二極管的反向恢復(fù)動作時IGBT的C-E間電壓急劇地大幅度振蕩。綜上所述，緩沖二極管應(yīng)選擇電壓容量合 適，瞬態(tài)正向電壓低，反向恢復(fù)時間短，反向恢復(fù)平順的二極管。5緩沖電路的仿真分析及選取為分析雜散參數(shù)對電路工作及器件的特性的影響，對以SiC MOS為開關(guān)器件的三相全橋逆變電路利用 psp

23、ice進(jìn)行仿真。電源電壓Udc = 800V，主回路寄生電感Lp = 200nH , 工作頻率50kHz,負(fù)載電流有效值為78A。仿真主電路如下圖。無仿真電路時的電路波關(guān)周期上的波形，從圖中可以看出，在沒有緩沖電路時，電路發(fā)生振蕩，上臂電流過沖至130A,上臂電壓過沖至1.5kV,且損耗較大。因此，需要加入緩沖電路，以保護(hù)器件 正常工作。圖中紅色曲線為電流波形，藍(lán)色曲線為電壓波形， 綠色曲線為負(fù)載電流波形。當(dāng)上橋臂關(guān)斷時，雜散電感電壓發(fā)生過沖振蕩。通過仿真選定緩沖電路形式及緩沖電路組數(shù)（1組或者3組或者6組），為每個橋臂添加0.7uF的電容做緩沖電路，仿真結(jié)果如下：從圖中可以看出，電壓過沖明顯

24、減小。6緩沖電路應(yīng)用的注意事項(xiàng)在以SiC MOSFE,開關(guān)器件的主電路中， 造成SiC MOSFE項(xiàng)壞的主要原因有三個： 漏源過壓損壞、柵極過壓損壞、過熱損壞。為防止前兩種損壞的發(fā)生，采用緩沖電路解決。此外，柵極過壓損壞的原因主要是由于主電路中的雜散電感帶來的。因此如何盡量減小主回路中的雜散電感成為功率主電路設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。這對逆變器電路設(shè)計(jì)者提出了一個挑戰(zhàn)，因?yàn)槠骷旧淼耐庑纬叽缂盁嵩O(shè)計(jì)要求較長的功率回路接線，采用傳統(tǒng)的母線電路，這些較長的線路中將會有更多的寄生電感，使緩沖電路的設(shè)計(jì)變得很困難。為了得到一種適合大電流工作的低母線電感電路，就需要特殊的母線結(jié)構(gòu)，由交錯鍍銅層和絕緣層構(gòu)成的迭層母線設(shè)計(jì)，可以使電感量降低。 迭層母線中被絕緣層隔離的寬板用于正極和負(fù)極母線的聯(lián)接 ，這種寬板起到了防止功率回路中寄生電感的作用，為了使 母線電感盡量達(dá)到最小，寬平正、負(fù)母線極板把開關(guān)器件與主電容組相連接。從前面的分析可知，緩沖電路在關(guān)斷過程中將出現(xiàn)兩個電壓尖峰，第一個電壓尖峰出現(xiàn)在換流階段，此電壓尖峰主要由緩沖電路寄生電感引起的；第二個電壓尖峰出現(xiàn)在Lp諧振放能階段，此電壓尖峰是由于 LP儲