缓冲电路设计及仿真Word格式.docx
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3缓冲电路分类
缓冲电路主要分为如下三类，分为C型缓冲电路、RC型缓冲电路.RCD型缓冲电路。
图C缓冲电路适用于小功率等级的IGBT,对瞬变电压非常有效且成本较低。
但这种缓冲电路随着功率等级的增大，会与直流母线寄生电感产生振荡。
RCD型缓冲电路则可以避免这种情况，由于快恢复二极管可以箝位瞬变电压，从而抑制谐振产生。
在功率等级进一步增大时，此种缓冲电路的回路寄生电感会变得很大，导致不能有效控制瞬变电压。
因此在大功率场合可用RCD缓冲电路，该缓冲电路既可有效抑制振荡还具有回路寄生电感较小的优点。
电路类型
C型吸收电路
RC型吸收电路
RCD型吸收电路
特点
电路简单、成本低、易产生振荡、会引起集电极电流升高
结构简单、易造成过冲电压、会引起集电极电流升高
克服过冲电压过高、过电压抑制效果较好、会引起集电极电流升高
范围
中等容量装置
小容量、低频率装置
下表是针对直流母线电感量，以过冲电压100Y为前提汁算出的推荐值，便于缓冲电路的设计。
模块型号
推荐设计值
主母线电感（nH）
缓冲电路类型
缓冲电路回路电感（nH）
缓冲电容（UF）
10A—50A六合一或七合一型
200
A型
20
0」—0.47
75A—200A六合一或七合一型
100
0.6—2.0
50A—200A戏单元
B型
0.47—2.0
300A—600A戏单元
50
Bill
3.0—6.0
200A—300A戏单元
C型
30—15
0.47
400A—单元
C割
12
1.0
600A—单元
8
2.0
4缓冲电路工作原理及计算
线路因杂散电感会产生的瞬态浪涌髙圧，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。
缓冲电路在开关器件关断时工作，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。
4.1电容型缓冲电路
”
■■
电容型缓冲电路在器件开通时有浪涌电流，因此用于小电流应用场合（<
50A）。
在髙频场合下，为减小损耗，也会考虑这种拓扑。
根据能量转移关系，要求在器件开通过程中将吸收的能量释放:
（4.1）
IdVds（td-f+tf）_1“2
2=iCVds
可得:
（4.2）
4.2RC型缓冲电路
RC型
RC缓冲电路中，缓冲电阻R越小，缓冲电容越大，则缓冲效果越明显，但是要考虑电阻R上的损耗。
器件关断时，电容C储存能疑，在下一次器件开通时，电容中的能量以热能的形式消耗在电阻R上，而电容上的存储的能量为：
（4.3）
其中，區］为器件关断电压。
又在电阻上消耗的能量与每个周期电容的充放电次数成正比,
因此在电阻上消耗的能量为:
（4.4）
其中f为器件工作频率。
n为每个周期电容电压转换次数，半桥电路中，每个周期电容电压发生两次转换，因此n取2,RP：
Pr=C卩dsf（4.5）
缓存电容的选择要满足两个要求,首先，缓存电容能够存储的能量要比电路中杂散电感存储的能量要大，也就是要满足下式：
（4.6）
英次,缓冲电路的时间常数要比功率器件导通时间短，这样在开关管导通的时候存储在缓存电路中的能量才能够释放完毕，一般情况下，认为3倍的时间常数可以完成放电过程,则：
（4.7）
3R、C、ston
其中ton=DT,D为占空比，T器件开关周期。
所以
（4.8）
此外，还要考虑放电电流不可太大©
最后综合电阻功率与过压情况选择参数匚综上所述，得到：
（4.9）
（4.10）
4.3RCD缓冲电路
RCD型电路又分为如下三类。
苴中，II型电路采用2组I型缓冲电路，使用快恢复二极管钳位瞬变电压，可抑制振荡发生，适用于中大容量器件，但缓冲电路的损耗很大。
I型电路将RCD缓冲电路直接并接在桥臂两端，这种电路抑制器件关断瞬态电压的效果好，而抑制器件开通时的瞬态电压效果稍差。
III型缓冲电路由于每个元件有各自独立的吸收电路，既可抑制关断浪涌电压，缓冲电路的损耗又很小，适合于大功率电路。
过电压抑制效果好、不会引起集电极电流上升、附加损耗小、吸收回路寄生电感较大
过电圧抑制效果好、不会引起集电极电流上升、附加损耗小、吸收回路寄生电感小
适用范围
中等容量、较高频率装這
大容量、髙频率装置
4.3.1I型缓冲电路
RCD型
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I匕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,从而使英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。
以开关T1关断时刻为起点来分析缓冲电路的工作原理，其工作过程可分为3个阶段，即线性化换流、杂散电感Lp谐振放能、缓冲电容Cs放电。
a）线性化换流过程
此阶段从开关T1接收关断信号开始到开关T1完全截止结朿。
流过Lp的母线电流经T1和缓冲电路2条支路分流。
由于此过程时间很短,一般为纳秒级，因此可将此工作过程中电压、电流的变化线性化来处理。
其等效电路如下图：
Lp
|il"
ids*
3
L
Ls：
■
r
Ics
I
Vdc
I」
■Cs
Ds
设线性化换流过程持续的时间为tn由上图得:
（4.18）
当1=心时，即换流过程结束，有:
在此过程中，开关器件1端的电压为u“+Ls警，由于实际的换流过程并非完全线性，因此在过程中会岀现第一个电压尖峰，且此电压尖峰与母线电流吒、缓冲电路寄生电感Ls、关断时电流的?
有关。
dt
b）杂散电感Lp谐振放能阶段
线性化换流阶段结朿后，开关完全截止。
主回路杂散电感冋与缓冲电容Cs谐振，呂］中储存的能量通过Cs泄放•当Vcs达到谐振峰值时，回路电流i为零，缓冲电路二极管DS截止，钳位u“防止振荡的发生。
在此过程中将出现第二个电压尖峰，且此电压尖峰是由杂散电感Lp引起，在下而的分析中可看到，该电压尖唸与母线电流IL、杂散电感冋、
缓冲电路寄生电感L“缓冲电容5有关。
这一过程的等效电路如下图:
c）缓冲电容0放电阶段及缓冲电阻的参数汁算
谐振放能阶段结束后，Cs通过Rs、电源和负载放电。
在放电期间，可认为负载是恒流源。
有了负载后，可不考虑Ls、Lp对放电的影响。
其等效电路图如下图。
（4.27）
（4.28）
（4.29）
（4.30）
电路方程为：
Rssdt
初始条件为：
J（0）=J=J+[（v“（O）一VdJ+（Z,i（0））2]%
可求得在放电过程中：
V«
（t）=Vdcl1+AU%el/R>
C1]
对于不同拓扑结构的缓冲电路，允许Cs放电的最大时间各不一样。
对于三相两电平拓扑结构英最大放电时间为Ts/3（线性化换流时间和谐振放能时间相对很短，可忽略）。
对单相逆变器，英最大放电时间为Ts/2,假设当Ucs（t）=1.01Ud时认为5上的过电压放电完毕，且限左
AU%=«
x100%=15%,则三相两电平拓扑下:
（4.32）
（4.33）
T
Rs~3Cslnl5
TJ3
Pr严半位2=lcs（AU%V^）23fs=1.5Csfs（AU%VA.）2
0Z
由前而可知:
Prs=l・5lfLfs
同理可求出单相拓扑下:
1）缓冲二极管的选择
缓冲二极管电压容量应与IGBT额左电压容量相当,且应选用快速软恢复二极管。
在缓冲电路工作过程中，只有线性化换流阶段和G谐振放能阶段有电流流过缓冲二极管。
在线性化换流阶段电流为=ILX^在谐振放能阶段电流由前而式可得为i°
s=
ILcos（kOt-h）（忽略线性化换流阶段电压的变化），由此可得流过Ds电流的有效值:
=IL卡[tf+舟5+2h+sin2h）]
同理可得单相逆变器中二极管:
121
】dsf=帀［尹+刁亦（ir+2h+sin2h）］
从上而的计算可以看出，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而到达上述要求.
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。
4.3.2II型RCD缓冲电路
4.3.3m型RCD缓冲电路
III型
III型RCD缓冲电路与前而的【型RCD缓冲电路工作原理相似。
以开关管T1关断时刻为起点，分析缓冲电路的工作原理，英工作过程可分为：
线性化换流、母线寄生电感Lp谐振转移能疑和缓冲电容Cs放电共3个阶段。
1）线性化换流过程
此阶段从开关管T1接收关断信号开始到开关管T1完全截止结朿。
流过母线寄生电Lp的母线电流I。
经T1和缓冲电路2条支路分流。
由于这个过程时间极短，一般为纳秒级，故此过程中的电流、电压变化可线性化处理。
由于实际的换流并非完全线性，因此在这个过程中会岀现第一个电压尖峰（图3中AUpl）o这个尖醱是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管的正向恢复联合引起的。
如果缓冲二极管采用与IGBT匹配的快恢复二极管，则该电压尖峰主要取决于缓冲电路寄生电感Ls,可估计岀AUpl为：
di
式中：
Ls为缓冲电路的等效寄生电感：
di/dt为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流变化率。
2）母线寄生电感Lp谐振转移能量过程及缓冲电容Cs的参数计算
在线性化换流阶段结朿后，开关管T1完全截止。
此时，主回路寄生电感Lp与缓冲电容
Cs产生谐振，Lp中储存的能量向Cs转移。
当缓冲电容上电压UCs达到最大值UCspk,即谐振峰值时，谐振电流i为零，缓冲电路二极管Ds截止，箝位UCs防止有振荡。
在这个过程中将出现第二个电压尖峰（图3中AUp2）。
此尖邮主要是由母线寄生电感Lp引起，可以用能量守恒定律来确定△Up2:
|Lpi2=|c8AU^2
Lp为母线寄生电感；
i为工作电流：
Cs为缓冲电容值：
AUp2为缓冲电压峰值。
如果已经确泄了AUp2的限左值，则可用式
（2）确泄缓冲电容Cs的值：
3）缓冲电容Cs放电阶段及缓冲电阻Rs的参数i|•算
在第二阶段结朿之后，缓冲电容Cs上过冲能疑通过缓冲电阻Rs、电源和负载放电。
在放电过程中，近似认为负载是恒流源。
因为负载的存在，可不考虑Ls、Lp对放电的影响。
其等效电路图如下图所示。
Ucs（t）=Ud+AUp2e'
^7
可得：
C—t
RsrlnfUcs（t）-UdC」n[AUp2]
dUcsAUp2一是1-■Csdt■Rse33
UC8（0）=Ucspk=Ud+AUp2
对于不同拓扑结构的缓冲电路，允许Cs放电的最大时间也各不一样。
为保证开关管T1再次关断前，能将储存在Cs中的过电压能量90%放电，求取缓冲电阻Rs的方法如下，f为
电路方程：
在Cs放电阶段:
交换频率。
1
RsSc8r
缓冲电阻值Rs如果设左过低，由于缓冲电路的电流振荡，IGBT开通时的集电极电流蜂值也会相应增加。
因此，应在满足上式的范用内尽量将Rs设泄为髙值，参数可按下式校验：
4）缓冲二极管Ds的选择
首先，缓冲二极管电压容量应与IGBT额泄电压容量相当。
其次，缓冲二极管的瞬态正向电压下降是关断时发生尖U巾电压的原因之一。
此外，一旦缓冲二极管的反向恢复时间加长,高频交换动作时缓冲二极管产生的损耗就变大，反向恢复急剧，并且缓冲二极管的反向恢复动作时IGBT的C-E间电压急剧地大幅度振荡。
综上所述，缓冲二极管应选择电压容量合适，瞬态正向电压低，反向恢复时间短，反向恢复平顺的二极管。
5缓冲电路的仿真分析及选取
为分析杂散参数对电路工作及器件的特性的影响，对以SiCMOS为开关器件的三相全桥逆变电路利用pspice进行仿真。
电源电压Udc=800V,主回路寄生电感Lp=200nH,工作频率50kHz,负载电流有效值为78A。
仿真主电路如下图。
无仿真电路时的电路波形如下图，电路发生振荡，且损耗较大。
因此，需要加入缓冲电路。
无仿貞•电路时的电路波形如下图，下图分别为上桥臂的电压及电流波形以及一个开关周期上的波形，从图中可以看岀，在没有缓冲电路时，电路发生振荡，上臂电流过冲至130A,上臂电压过冲至1.5kV,且损耗较大。
因此，需要加入缓冲电路，以保护器件正常工作。
图中红色曲线为电流波形，蓝色曲线为电压波形，绿色曲线为负载电流波形。
当上桥臂关断时，杂散电感电压发生过冲振荡。
通过仿頁•选定缓冲电路形式及缓冲电路组数（1组或者3组或者6组），为每个桥骨添加0.7uF的电容做缓冲电路，仿真结果如下：
从图中可以看出，电压过冲明显减小。
6缓冲电路应用的注意事项
在以SiCMOSFET为开关器件的主电路中，造成SiCMOSFET损坏的主要原因有三个：
漏源过压损坏、栅极过压损坏、过热损坏。
为防止前两种损坏的发生，采用缓冲电路解决。
此外，栅极过压损坏的原因主要是由于主电路中的杂散电感带来的。
因此如何尽量减小主回路中的杂散电感成为功率主电路设计中必须考虑的问题。
这对逆变器电路设计者提岀了一个挑战，因为器件本身的外形尺寸及热设计要求较长的功率回路接线，采用传统的母线电路,这些较长的线路中将会有更多的寄生电感，使缓冲电路的设计变得很困难。
为了得到一种适合大电流工作的低母线电感电路，就需要特殊的母线结构，由交错镀铜层和绝缘层构成的迭层母线设计，可以使电感量降低。
迭层母线中被绝缘层隔离的宽板用于正极和负极母线的联接，这种宽板起到了防I匕功率回路中寄生电感的作用，为了使母线电感尽量达到最小，宽平正、负母线极板把开关器件与主电容组相连接。
从前面的分析可知，缓冲电路在关断过程中将岀现两个电压尖峰，第一个电压尖稣出现在换流阶段，此电压尖峰主要由缓冲电路寄生电感引起的;
第二个电压尖峰出现在
Lp谐振放能阶段，此电压尖稣是由于LP储能的释放引起的。
同时在缓冲电容Cs放电阶段，由于缓冲二极管的反向恢复特性，还将岀现振荡。
应此，如何有效抑制两次电压尖峰以及如何使SiCM0SFET极端压快速稳泄是SiCM0SFET缓冲电路设计时所要解决的主要问题。
为有效抑制第一个电压尖峰，应尽量减小缓冲电路的杂散电感Ls减小SiCM0SFET关断时的di/dto缓冲电容应选择聚丙烯膜或类似低介电损耗膜的低感电容，在可能的情况下利用小电容并联来获得需要的电容值;
缓冲电阻应选择无感或低感的金属炭膜电阻;
尽可能将缓冲电容、快恢复缓冲二极管、大功率电阻都组装在一块印刷电路板，安装时电路板尽可能靠近SiCM0SFET模块，一般安装在SiCM0SFET模块之上的汇流母线上。
为有效抑制第二个电压尖峰，除应尽量减小主回路杂散电感L,外还需对缓冲电路的参数Cs进行合理的设讣，其设计公式可依据前而公式。
由分析式可知，所需的电容虽与母线寄生电感成正比。
这样，上而介绍的那种降低母线电感的方法，就能减小所需的缓冲电容。
苴次需要考虑的是，Cs值与正被关断的电流的平方成正比，这就需要使用限流技术，以使得在短路情况下短路电流不至于太高。
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（注：
可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!
）
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