電力電子技術

PowerElectronics

緩沖吸收電路

學習目的1）由于電路的結構，開關損耗總是存在的2）在高頻運行時開關損耗很大，必須重視3）減小開關損耗的基本方法4）本章內容是廣義的5）是“軟開關”概念的基礎6）應用的基礎內容在參考教材中（元件、軟開關章節）緩沖電路作用：1）將電壓與電流的值保持在安全工作區(SOA)內

2）確保器件的電壓/電流變化率足夠低，以保證器件能正確和可靠工作

3）限制器件在開關時的功率損耗

4）消除二極管的正向電壓恢復與反向電流恢復的影響二次擊穿限制電流限制功率限制電壓限制VI第1節關斷緩沖電路1.1關斷損耗與SOA假定相關的波形從初值到終值作直線變化當三極管關斷時，其典型的電壓、電流波形如圖注意到只有當三極管兩端的電壓達到vdc時，二極管D的反壓才能解除。而D導通后，三極管Q中的電流才會改變。vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc+vQ

若開關頻率為20KH，則三極管中的能耗為100W假定關斷時間tf=0.5微秒，Idc=50安，Vdc=400伏每個關斷過程的能量損失是：迭加在三極管的SOA中的關斷軌跡圖VI1231vQVdcIdciQ230tff1.2基本的關斷緩沖電路DIdc+VdcCQ由于電容C提供了第三條路徑，Q關斷時VQ變化引起iQ下降。電容C控制著VQ從零上升到Vdc的上升率。當C足夠大，iQ下降到零時，VQ只上升到Vdc的很小的一部分。結果三極管的功耗比無C的情況要小得多。

vQiQ0tfIdcVdc加入電容后的關斷軌跡關斷軌跡Vi123例1：如何選擇電容的值上圖中的三極管電流在t=tf時達到零，三極管兩端的電壓是Vdc在t=0與t=tf

的過渡期間VQ按平方規律變化。在關斷過程中三極管總的能量損耗是：

若選擇CS的值，使=0.2，并假定tf=0.33微秒，則Wdiss=0.12焦爾。在t=0與t=tf間電容器的電流是：電容所充的電荷是t=0與t=tf間內對電容電流的積分電容值為：1.3實際的關斷緩沖電路電阻RS的作用是限制當三極管再次導通時電容的放電電流。二極管DS的作用是在關斷期旁路電阻。DSIdc+VdcRS電阻必須足夠小，以保證在Q在可能的最小導通時間內完全地放電；但同時它又應足夠大以防止放電電流超過Q的額定值。第2節導通緩沖電路2.1導通損耗與SOA假定相關的波形從初值到終值作直線變化當三極管導通時，其典型的電壓、電流波形如圖vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc+vQ

在iQ等于Idc前，vQ必定維持為Vdc

當負載電流完全由二極管換到三極管后，D關斷vQ下降到零。導通期間三極管的電壓與電流不為零，這將產生開通損耗和使開通軌跡超出SOAVI321導通損耗計算與關斷損耗相同。將tf用tr來代替即可

1vQVdcIdciQ23trf02.2基本的導通緩沖電路

iQvQ0trVdcIdcDIdc+VdcLSQ緩沖電感與三極管串聯當加入電感后，導通期間由于電感LS兩端產生自感電壓，三極管兩端電壓不再是Vdc。由于LS中電流的上升率正比于1/LS，選擇LS值可使vQ到零時三極管電流僅為Idc的一個分數值假定=0.33，tr=0.1微秒，損耗為：加入電感后的開通軌跡123iQvQ0trVdcIdc導通軌跡Vi123開通軌跡在SOA內2.3實際的導通緩沖電路

圖中，三極管關斷時電阻為電感電流提供了通道；二極管的作用是避免在導通期電阻導電。電阻R應在三極管的斷態使電感完全放電DIdc+VdcLQ例2：確定開通緩沖電路中各元件的值LS可由關系=LsI求出。在t=tr、iQ=Idc時可由電感電壓的積分求出式中：Vdc=400伏、Idc=50安、i=0.33、tr=0.1微秒第3節組合導通／關斷緩沖電路要實現導通與關斷緩沖兩個功能，可以將單獨的導通和關斷緩沖電路組合起來DIdc+VdcLQ第一種方法：一個標準的由RCD關斷緩沖電路與一個導通緩沖電感LS聯接。ａ）在導通時，除Cs的放電電流疊加到iQ中外,其它與原電路完全相同。但實際上不需要這樣做。為簡化電路我們采用別的組合方法。ｂ）關斷時，在t1時刻前，與前述相同。但在t1時刻當Vc=Vdc和DR導通后，LS仍流過電流iL=Idc，因此Ｃs和LS會振蕩1/4周期，直到iL=0，D關斷，Rs阻尼這個過渡過程。VdcIdctf<t<t1vc(tf)=VdcVdct1<t<t2vc(t1)=VdciL(t1)=IdcVdcIdciQ0<t<tfvc(0)=0Idc+VdcCSRLSQiQt2VQ0tfvQiLt1IdcVdcVdct2<tvc(t2)=Vdc+vc

iL(t2)=0Q兩端因振蕩產生的電壓增量為

例3：計算組合緩沖電路產生的瞬變電壓若CS=0.066微法，LS=1.2微亨。三極管的電壓峰值VQ=Vdc+VC=613伏該值相對Vdc較大，說明這種組合緩沖電路可能會增大開關的電壓應力。第二種方法：一個標準的RLD開通緩沖電路與一個關斷緩沖電容CS聯接。ａ）在關斷期間，除了電阻兩端的放電電壓（緩沖電感中的電流續流）對vQ有影響外，vQ和iQ的波形與原始關斷電路波形一樣。ｂ）在導通期間：注意到電容CS上有電壓初值在tr時刻vQ=0。以后LS線性充電，在t1達到Idc，此時，續流管DR關斷。在這一段時間前，Ds反偏壓vC=Vdc。當DR在t1時刻關斷后，由于CS上的電壓的原因，LS和CS振蕩，直到t2時刻vC=0，然后Ds導通iQ以過阻尼方式穩定在Idc。三極管中的峰值電流發生在t2時刻，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節緩沖電路的另一種布置方法關斷緩沖電路的作用是控制vQ的上升率。如果控制Q的集電極與地間的電壓也就能控制vQIdc+VdcCSRLS+VdcIdc開通緩沖電路控制開關過程中電流的上升率。這種聯接對iQ的控制效果與電感串聯時的效果是一樣的

主電路有“寄生”現象，特別是在高頻時。例如，三極管、二極管和輸出電感相聯的節點對其它節點有分布電容。有“關斷緩沖電容”的作用。同樣地，寄生電感具有導通緩沖電路的作用。第5節

緩沖電路的損耗

緩沖電路中的儲能將被損耗掉。例如關斷緩沖電路中的電容在Q開始關斷時儲能為零，關斷過程結束時被充到Vdc。當Q再次導通CS中的儲能就在RS上消耗掉。5.1單獨的導通/關斷緩沖電路在開關關斷時刻，電容儲能：W=CSVdc2/2電容為儲能為

式中，直流電壓電流值用與前邊相同的數據

這比無緩沖電路時能耗大(tf/2tffv)倍v越小，緩沖作用越大，但同時損耗越大。導通緩沖電路中電感的儲能W=LSIdc2/2。損耗為：電感為：同樣，損耗的能量比無緩沖電路時大。5.2組合導通/關斷緩沖電路組合電路1的電容電壓最終超過電源電壓的值。所以，電容峰值儲能為可重寫為第一項正好是當兩個緩沖電路不組合時損耗的能量最后一項由CS中的儲能產生。這部分能量通過電容的放電電流送回到輸入電源去。組合緩沖電源的實際能耗等于不組合時的能耗

5.3斷緩沖電路引起的損耗若將三極管及其并聯的關斷緩沖電路當作一個獨立的開關，關斷過程中電壓電流和功率如圖所示+Idcis0vsVdctftf/2v這個開關的特點：元件兩端的電壓幾乎線性上升。到達到Vdc時二極管導通，負載電流續流。開關本身耗能與Vdc、Idc和關斷時間成正比。但有緩沖電路時，過渡過程的時間比無緩沖電路的情況要大tf/(2tffv)倍，所以它吸收的能量相應地增大了。同理可得，由三極管和導通緩沖電路吸收的能量將比無緩沖電路的三極管工作時吸收的能量大tr/(2trfi)倍。加入耗能緩沖電路降低了電路的總效率，但半導體開關本身的損耗卻減小了。第6節

能量回收型緩沖電路如果組合緩沖電路以20KH的頻率工作，其能耗為

iQvc1iLvc1它為變換器輸出的2.6%，設占空比為0.25。具有能量回收能力的關斷緩沖電路

當Q關斷時，二個電容構成兩個并聯關斷緩沖電路電感不起作用，因為D3總是反偏。+D1D2D3DC1LC2vQ當Q再次導通時，其電流在tr時刻上升到Idc，在這點D關斷，vQ開始下降直到零。trIdc若tr遠小于LC的振蕩周期，可認為這時電路由C2、D3、L和C1組成，并由幅值為Vdc的階躍電壓激勵。電路的響應是一個二階振蕩，該振蕩持續半個周期，直到iL企圖變負，D3關斷。若兩個電容相等，它們均被充電到Vdc。總的電容電壓是VC1+VC2=2Vdc該緩沖電路不耗能。電容儲能來自電源；在關斷過程中儲能傳送給負載。通常這種緩沖電路采用不等值電容器。較小值的電容總會被充到Vdc，結果是至少一個電容可用來控制VQ的上升率。第7節

電壓鉗位電路Idc+Vdc調節電路電容器已經被充電到最大允許電壓VC（鉗位電壓）。調節電路使電容電壓保持不變。當VQ達到VC時，二極管D引導負載電流到CC。如果CC足夠大，它會在開關過程的其余時間內吸收負載電流，其電壓不變。回路中具有寄生電感是需要電壓鉗位的原因

選擇合