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缓冲电路笔记

有源滤波装置中逆变电路的设计_夏向阳

在三相桥式逆变电路PWM调制控制中,IGBT模块由于开关速度快,开关频率高,动态损耗较大,关断过程中功率管上有时会出现危险的过电压,造成功率管的损坏.产生过电压主要有2个原因:

关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压.关断浪涌电压是在关断瞬间因流过IGBT的电流被切断而产生的瞬态高压;而当续流二极管恢复反向阻断能力时会产生与关断浪涌电压相似的浪涌电压.如图1所示电路中,当上桥臂的IGBT模块IGBT1开通时,流过感性负载的电流IL不断增加.当该IGBT关断时,感性负载中的电流不可能发生突变,它必然通过下桥臂IGBT模块的续流二极管VD2流通.如果电路是理想的,即不存在寄生的杂散电感,IGBT1关断时其上的电压VCE1只会上升到比母线电压Ud高出一个二极管的压降值,随后VD2导通防止电压进一步增加.

但在实际的功率电路中线路上存在有寄生的杂散电感,可以在图1所示电路中增加一个总值为LS的漏电感以模拟线路杂散电感的影响.当IGBT1关断时,电感LS阻止负载电流向VD2切换,在该电感两端产生阻止母线电流减少的电压VS（VS=LS*dLS/dt）,电压的极性如图1所示,它与直流电源母线电压相叠加并以浪涌电压的形式加在IGBT1的两端.在极端情况下,该浪涌电压会超过IGBT1的额定值而导致它的损坏.续流二极管恢复时会产生与关断浪涌电压相似的浪涌电压.

2.1　缓冲回路的设计

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IGBT关断时工作,起到提供旁路的作用,从而达到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.因为引起功率电路上产生瞬时冲击电压的能量正比于1/2LSi2[5].这里的LS为母线寄生电感,i为主电路工作电流.在保证工作电流i大小不变的条件下,为了降低这种能量,就必须减少主电路的寄生电感.因此选用了具有如下片状结构的IGBT,如图2所示.通过与宽排母线相连,很好地降低了线路电感。

电压的缓冲电路主要有4种类型,如图4所示

A型结构的缓冲回路最简单,通过一个无感电容直接连接C1,E2.这种结构适用于低功率电路的设计,随着功率的增大,A型结构的缓冲效果将会变差,甚至可能与母线寄生电感产生振荡.B型结构通过一个快速恢复二极管来捕捉消除冲击电压和阻塞振荡,解决了A型存在的一些问题.这种缓冲回路中的RC时间常数应该大概为IGBT开关周期的三分之一（τ=T/3=1/3f）.这种缓冲回路也会随着逆变器功率的增大而无法有效控制浪涌冲击电压.C型结构的缓冲回路是在大功率系统中应用最多的一种缓冲回路,功能上与B型类似,但因为它直接连接了上下桥臂IGBT的集电极和发射极,从而大大降低了回路电感.D型缓冲回来能有效的控制冲击电压、寄生振荡和dv/dt噪声问题,但其本身功率消耗太多而不适用高频系统应用.在设计中,采用A型和C型缓冲回路的复合回路.

图5是使用C型缓冲回路IGBT关断时的典型电压波形.其初始的尖峰电压ΔV1主要由缓冲回路的寄生电感和缓冲二极管的正向恢复引起的,当采用快速型缓冲二极管时,对产生这种尖峰电压的影响较小,主要由回路寄生电感产生,这样,可以通过下面的公式来计算ΔV1的幅值,即

ΔV1=LS×di/dt.

（1）

式中　LS为缓冲回路总的寄生电感;di/dt为IGBT关断时的电流变化率.典型的IGBT功率电路的di/dt=0.01A/ns×IC.当ΔV1的最大允许值被确定后,就可以通过这个公式来计算缓冲回路的最大允许寄生电感值.装置设计时允许流过的电流峰值为400A,ΔV1限制为100V,由式

（1）得

di/dt=0.01A/ns×400A=4A/ns.

（2）

LS=ΔV1÷di/dt=100V÷4A/ns=25nH.

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.在工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,因为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.

从图5可以看出,在初始尖峰电压ΔV1之后还有一个较小的峰值电压ΔV2,这个电压的形成主要是由缓冲回路的电容值和IGBT母线寄生电感产生的.可以通过一个能量守恒的公式来估算ΔV2的大小,即

式中　LB母线寄生电感,i为工作电流,C为缓冲电容值.同样,在设定ΔV2的最大允许值后,可以通过对式（4）的变化来计算一个给定功率电路的缓冲电容值的大小,即

具体的相关参数的选择可以参考三菱公司相关资料说明.通过以上设计原则和反复实验,本装置缓冲电路选用低电感的聚丙烯无极电容1.37μF1200V,无感泄放电阻36Ψ/100W,以及与IPM相匹配的快速缓冲二极管1200V/100A.

逆变桥缓冲电路应用研究与软开关技术探讨_周永明

逆变器的缓冲电路_孙晓婷

2.2　缓冲电路Ａ

图2Ａ中的缓冲电路最简单.当ＩＧＢＴ工作时,跨接在紧靠ＩＧＢＴ的直流母线两端的电容Ｃ1,可以吸收Ｌｓ中存储的能量,使ＩＧＢＴ集射极间瞬态尖峰电压受到抑制.这个电路的缺点是不适用于负载为并联谐振的装置.这是因为当负载发生谐振时,电路相当于断路,存储在电容中的电流只能通过Ｔ1和Ｔ2放电,使管子两端产生过电压导致ＩＧＢＴ损坏.

2.3　缓冲电路Ｂ

图2Ｂ中的缓冲电路是在Ａ的基础上,加接了电阻Ｒ1和二极管Ｄ1,吸收电容Ｃ1通过二极管Ｄ1充电,通过Ｒ1放电.这种电路在ＩＧＢＴ关断时,抑制瞬态电压的效果好,抑制开通时的ＩＧＢＴ瞬态电压的效果稍差,但因有Ｒ1的阻尼能消除Ｃ1放电造成的电流振荡,使ＩＧＢＴ开关时处于更平静状态.这个电路的缺点在于保护电路的附加元件（即二极管）增加了缓冲电感,而且这个电路不能用小电感电容.

缓冲电路在逆变器中的应用_张立广

1RCD缓冲电路原理

RCD缓冲电路由缓冲电阻R、缓冲电容C、和阻尼二极管VD组成，所以称其为

RCD缓冲电路，RCD缓冲电路原理如图1所示。

RCD缓冲电路工作过程分为两步：

（1）场效应管VT关断后，电路中漏感能量通过阻尼二极管VD对缓冲电容C充电

直到C端电压Cu=UDS-UVD；

（2）场效应管VT导通期间，缓冲电容C通过缓冲电阻R和场效应管VT放电。

在此过程中电路中漏感能量通过缓冲电阻R消耗，从而减小了场效应管上的消耗。

RCD缓冲电路的性能主要取决于缓冲电容C。

当缓冲电容C取值偏小时，UDS上升较快，电路漏感释放的能量快速对缓冲电容C充电，场效应管的关断电压尖峰毛刺较大；当缓冲电容C取值偏大时，UDS上升很慢，基本没有场效应管的关断电压尖峰毛刺，但此时将增大RCD缓冲电路的消耗；当缓冲电容C取值适中时，场效应管的关断电压尖峰毛刺大小适中得到抑制，此时RCD缓冲电路的损耗也大小适中。

3RCD缓冲电路参数计算

RCD缓冲电路器件参数可参照功率器件场效应管的关断电压特性计算。

逆变器场效应管关断时消耗的能量为：

RCD型缓冲吸收电路仿真与实验研究_张小宾

三相桥式逆变器关断缓冲电路的研究_陈益广

如图1所示,Tl管正常导通工作时流过负载电流I。

现将Tl管关断,T,管恢复阻断能力过程中,由于续流二极管D:

有延时导通时间t,、,同时主电路中有电感存在,则负载电流I不能突变,在tooN时间内迫使负载电流I经T;管集电极与发射极间的寄生电容CcE流通,且在功率管上产生关断损耗。

此时Tl管两端电压的变化规律为：

C型缓冲电路用于MOSFET逆变电路的仿真分析_周庆红

含有C型缓冲电路的全桥逆变电路如图1所示,其中udc为电源电压,Ql一Q4为功率MOSFET开关管,Dl一D4为反并联二极管,LP为主回路寄生电感,Cs为缓冲电容,LS为缓冲电路寄生电感,Cs和Ls共同组成缓冲电路部分。

可将缓冲电路的工作过程划分为两个阶段:

（）l换流阶段:

即开关管关断延迟阶段。

此阶段,流过主回路寄生电感切的电流经过开关管Q和缓冲电路两条支路分流。

（2）缓冲电容Cs放能阶段:

换流阶段结束后,开关管完全截至。

缓冲电容Cs通过负载和电源放电。

缓冲电路Cs参数计算:

B型缓冲电路用于MOSFET逆变器的仿真分析_余向阳

器件典型关断波形如图2所示,其中Vd为电源电压。

可将缓冲电路的工作过程划分为3个阶段:

换流阶段　从开关接受关断信号到完全截至。

此阶段,流过主回路寄生电感Lp的母线电流经过开关管Q和缓冲电路2条支路分流。

在此过程中出现第一个电压尖峰ΔV1。

ΔV1与母线电流IL,缓冲电路寄生电感Ls,关断时电流的di/dt有关。

谐振放能阶段　换流阶段结束后,开关完全截至。

主回路寄生电感Lp与缓冲电容Cs谐振,Lp中的能量通过Cs泄放。

在此过程中出现第二个电压尖峰ΔV2,此尖峰与母线电流IL,主回路寄生电感Lp,缓冲电容Cs,缓冲电路寄生电感Ls有关。

缓冲电容Cs放电阶段　谐振放能阶段结束后,电容Cs通过电阻Rs,电源和负载放电。

MOSFET逆变器缓冲电路仿真分析_孙强

75kVA_IGBT_PWM变频调速装置研究_朱典旭

缓冲电路种类很多,主要有全部器件紧凑安装的单独缓冲电路及直流母线间整块安装缓

冲电路两大类。

在大容量变频调速装置中,为简化缓冲吸收电路的设计并减小布线电感,工程设计上应尽可能采用整体缓冲电路。

7k5VAIGBTPWM变频调速装置中缓冲吸收电路为整体缓冲吸收电路中的无损耗缓冲吸收电路,如图4所示。

该吸收电路的特点是电路简单,且由主电路分布电感和缓冲电容构成的谐振电路易产生电压振荡。

实际应用中应尽量减小分布电感。

大容量IGBT逆变器的开关瞬态电压抑制_张宗桐

降低母线分布电感的方法

在功率回路设计中,器件固有的外形尺寸以及电动力与热稳定的要求,往往与减少

分布电感相矛盾。

一种适合在大电流下工作的低电感母线结构与通常的母线区别在于:

（1）采用叠层式母线将电流反向的母线（如电容器的P、N母线和逆变桥的正负母线）相叠,并尽可能靠近,中间用绝缘材料垫开如图2（a）所示。

从电磁学原理可知,当上下导电母线的形状、面积相近,则二者所产生的磁场将互相抵消,理论上这时的母线电感为零。

对于逆变桥,考虑到一侧的输出母线会影响邻近的P、N母线的磁通平衡,引起电感量增大,这时将输出母线于P、N母线中间（如图2（b）所示）,P、N母线的磁道又恢复平衡。

上述方法在55kw以上IGBT逆变器中得到广泛采用,如图3所示为ABB6刀系列75kw的母线结构,其中图3（a）为电容器P、N母线的结构,图3（b）为整流桥与逆变桥之间的母线结构。

为了缩短电容器与逆变桥之间的连线,以获得最小分布电感的效果,另一种结构是将电容器组与逆变器用母线作紧凑型连接,此结构见于SANKENL系列55kw以上机型,如图4所示。

其它结构限于篇幅,不一一例举。

（2）增大母线宽/长比

缩小母线长度固然能减小母线电感,而在很多情况下,有意将母线展宽,对减小母线电感也有显著效果。

这是由于展宽母线实际上等于缩小了母线的有效长度的缘故。

当母线宽度b》母线厚度d及气隙占,母线电感为

从公式

（2）可知,间隙的减小有助于电感的减小。

综上所述,就不难理解为什么在大电流场合,通常都采用板状母线,而不使用圆导线。

（3）正确的引线位置

在满足

（1）、

（2）式的同时,母线引出线位置的确定也十分重要。

引出线位置的确定依据是保证电流在母线内能保持均衡,可以想象,当上下层母线内部电流是不均衡时,换句话说,即在对应的位置所流过的电流是不相等时（尽管各自流过方向相反的电流）,即使母线的大小和面积相仿,母线的电感也不可能减小到最小,得不到预期的效果。

因此,在很多情况下,引出线都设计在母线的同一侧,但考虑到接拆线的方便,上下引出线不得不适当错开位置,无法做到完全重合。

针对大容量IGBT功率电路的特点,通常对称型的CRD缓冲电路（如图5所示）已不适用,而较多采用图6所示的缓冲电路。

如果说图5的缓冲电路主要用来限制电压的上升率du/dt的话,则图6的电路主要用来限制过电压。

比较图5、图6电路可知,其电路的主要区别是:

（1）缓冲电容C在IGBT的开关过程中不发生完全充放电。

因此,就不存在电容的全电压放电的过渡过程,工作过程较为简单。

在电路正常工作时,缓冲电容C的端电压维持在直流电源电压,只有当IGBT关断瞬间因母线分布电感引起过电压时,C才经过电源、电阻放电。

当电容电压等于直流侧电压时,放电过程便结束,因此电压过冲小。

（2）缓冲电容C可以选取得较大,以便吸收更为有效。

（3）C充放电回路不经过IGBT开关管,上组开关管Tl与下组开关管毛之间的连接母线的电感影响相对较小,这对于大容量IGBT的安全工作显得十分重要。

电容模块在缓冲电路中的应用_舒正国

也可以使用经验估算的办法来确定电容值,通常每100A集电极电流约取1μF缓冲电容值。

这样得到的值,也能较好的控制瞬态电压。

无源无损缓冲器的设计与分析_高燕

逆变电源缓冲电路与隔直电容的参数计算_陈长江

1.1　缓冲电路的作用

RC缓冲电路并联在IGBT两端。

其作用包括抑制过电压、减小开关损耗、限制电压上升速率以及消除电磁干扰等几个方面[2]。

（1）抑制过电压

IGBT关断时,线路电感会产生与直流电压同向的感应电压L×diL/dt,当没有缓冲电路时,由于diL/dt很大,使IGBT的C、E极之间形成很高的过电压。

当过电压大于IGBT所能承受的极限电压时,会损坏器件。

所以,为了使IGBT可靠工作,必须为电感中的贮能提供一条释放回路,以大幅度降低关断瞬间电感的电流变化率,避免因过电压损坏IGBT。

（2）减小功率开关管损耗

IGBT关断时,IGBT的功率损耗取决于集电极与发射极之间的电压以及流过管子的电流瞬时值,两者乘积的积分值越小越好。

使用缓冲电路可以改变IGBT关断过程中的电压、电流波形,从而减小IGBT的功率损耗。

由图2可知,当无缓冲电路时,电压VCE瞬间升至最大值,而此时IGBT的电流IC也是最大值,这种情况下功率损耗最严重。

采用RC缓冲电路后,VCE将逐渐升高,从而避免IC和VCE同时达到最大值的不利情况。

所以,缓冲电路可以减小IGBT的关断损耗。

（3）限制电压上升率

过大的电压上升率duCE/dt会在IGBT的PN结中形成很大的位移电流,它可能误使IGBT内部寄生晶闸管开通,导致栅极失去控制作用,这就是所谓的动态擎住现象。

IGBT两端并联的RC缓冲电路能够限制duCE/dt的大小,有效地解决IGBT的动态擎住问题。

（4）消除电磁干扰

在设备调试运行过程中,当无缓冲电路时,IGBT管两端的电压会产生高频振荡,造成电磁干扰。

采用缓冲电路即可抑制VCE的高频振荡,起到消除和减少电磁干扰的作用。

1.2　缓冲电路的参数计算

缓冲电路中,缓冲电阻R越小,电容C越大,则缓冲电路的作用越明显。

但同时要考虑功率损耗等因素。

IGBT关断后,缓冲电容C上贮存电能,当下次IGBT开通后,这部分能量以热能形式消耗在R上。

IGBT过电压产生机理分析及RC缓冲电路的设计_姜栋栋

ＲＣ吸收电路的作用是吸收ＩＧＢＴ关断时产生的过电压,其本质是靠吸收电容Ｃ来吸收掉主电路寄生电感和杂散电感产生的能量,即能量的转移。

因此为确定吸收电容Ｃ,就得先确定主电路寄生电感和杂散电感。

主电路寄生电感比较容易确定,其主要是电路中安放的各个相关电容,难点在于杂散电感的确定。

因电路杂散电感它是电路本身所产生的,比如电路中所选择的电阻、电容器件是有感的还是低感的,电路的布局和导线的长短都能影响杂散电感的大小,并且杂散电感在电路工作时是否产生影响还取决于电路的工作频率,如果工作频率不是很高（如达不到ｋＨｚ）,那么杂散电感对电路的稳定性和器件关断时所产生的冲击是微乎其微的,但假如工作频率很高,这时就必须考虑杂散电感作用。

因此在考虑杂散电感时应具体情况具体分析。

计算电路杂散电感的方法:

首先在没有加缓冲电路时用示波器或者其他仪器来观察ＩＧＢＴ关断时的一个振荡周期,记为Ｔ1;然后给ＩＧＢＴ并联一个已知大小的电容Ｃ0,重新观察其在关断时的一个振荡周期,记为Ｔ2,这时就可以估算电路中

的杂散电感值,其估算公式如下:

4.2　吸收电阻

ＲＣ吸收电路其实是一个一阶ＲＣ回路,其放电时间常数τ=ＲＣ,ＲＣ吸收电路是一种耗能电路,电容Ｃ吸收的能量大部分要通过电阻Ｒ来消耗掉,因此这种电路并不能使电路的消耗降低,只是把ＩＧＢＴ管开通和关断时的消耗转移到了ＲＣ吸收电路上来。

因为存储在吸收电容Ｃ在ＩＧＢＴ稳态导通时存储的能量为：