半桥逆变snubbber电路教材.docx
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半桥逆变snubbber电路教材
半桥逆变SNUBBER电路
描述：
半桥逆变正负桥臂开关管关断时是硬关断，当负载电流很大时，开关管关断时di/d（很大，由于线路存在分布电感，所以会引起很大的电压尖蜂，如果不加缓冲电路抑制电压尖峰的产生，则开关管的电压规格必须比正常值髙岀许多，开关损耗也较大，当UPS功率很大时（额圧电流很大），开关管的选取将变得异常困难：
同时，过髙的di/dt将产生严重的EML给半桥逆变的开关管增加关断缓冲电路可以降低di/dt、减小关断损耗，并能降低相应频段的EML一、常用SNUBBER电路的种类
1、RCSNUBBER（如图1）
-BUS
图2
3、变形的RCDSNUBBER电路（CLAMPING电路，如图3）
图1
2、RCDSNUBBER（如图2）
★BUS
图3
二、SNUBBER电路的工作过程
（以RCDSNUBBER电路为例进行分析，只分析正半周的情况）
1、Q1开通后进入稳态，流过Q1的负载电流为I,此时Ucsi=O,Ucs2=2*Vbus（如图4,红色箭头表示电流流向九
-BUS
图4
2、当QI的栅极上加入关断信号，电流I通过Q1的C、E间的寄生电容流过，Ucei升高，随之Ds】开通，一部分电流转移到Csi成为Csi的充电电流，Q1上电流减小,Cs2经Rs?
、Rload进行放电（如图5）。
-BUS
图5
3、QI完全关断（恢复阻断能力）后，Uce】大于正负BUS之和，D2开始正偏置，在D2的正偏置电压没有达到苴开通阈值电压之前不能及时导通，Cs】继续过充电，Cs2继续放电（如图6）。
图6
4、Csi仍然过充电，D2开始续流，负载电流I由正桥臂向负桥臂换流，Cs?
放电（如图7）。
图7
5、D2完全续流，Csi放电，Csi上过充的能量一部分消耗在Rsi上，另一部分反馈到+BUS（如图8）。
-BUS
图8
6、Csi放电完毕，Ucei=2*Vbus,Ucs2=0,D2进入稳态续流（如图9）。
-BUS
图9
7、Ql再次开通，Ql与D2之间进行换流，Q1的电流增大，D2的电流反相进入反相恢复过程，同时Csi、Rsi、Ql构成Cs】的放电回路，Ql、Ds2、Cs2构成Cs2的充电回路（图10）o
图10
8、D2的反相恢复完毕，Q1上流过负载电流I,同时，Csi的放电、Cs2的充电仍然继续（图11）.
-BUS
图11
9、进入正桥臂稳态工作的情况（一个工作周期结束）。
三、SNUBBER电路定量分析
1、RCDSNUBBER电路
考虑线路主要分布电感，电路原理简图如图12。
图12
根据上面对电路工作过程的分析可以知道过程4冲Ug达到最大，其值约等于Ucsu将电路再次呈现在下而（图13）。
由电路有：
2*Vbus=厶—+mcsi一L.也乂
（1）
dtCS，-dt
由于iL2=I-isi,代入
（1）式得：
di
2*Vbus=（厶+厶）一—+"⑶
（2）
-dt
由十isi=Gyi♦代入
（2）式得：
dt
2*Vbus=（厶+L2）CS1i+lies]⑶
（3）式是一个“二阶常系数非齐次线性微分方程”，它的通解等于对应的齐次方程的通解加上它的一个特解，其对应的齐次方程为：
（厶+LJCs\――^-+"csi=0⑷
dV
对应的特征方程为：
（厶+厶2）5]疋+1=0（5）
解之：
S=±「」一——
丫（厶+厶2）Csi
令1-=（4）式的解为:
、/（厶+厶2）C$i
Ucsi=Klcos3t+K2sin31
可求出（3）式的一个特解为:
ucsi=2VBus,则（3）式的通解为:
Ucsi=Klcosa〉t+K2sinst+2VBus（7）
由于ucsi（o>=2Vbus»所以K1=O,（7）式化为：
Ucsi=K2sin3t+2Veus（8）
所以：
isi=Csi""（'i=K2CS{cocosa）t（9）
dt
所以ucsi过充的电压（超过2VBUS部分）为:
其最大值为:
图14
根据图有:
2*Vbus=（厶+L2）Cs1—+RS}C―汁+"⑶（14）
dt~at
对应的齐次线性微分方程为：
（厶+g器+Rsd牛+S=。
（15）
drat
英特征方程为：
（厶+厶）C“S■+R$\Cs\S+1=0（16）
由于△=Rs|2C24（L1+L2）Csi的符号未知，所以（16）式的解有多种不同情况，这里只
d2«“I
讨论△<（）的情况，令（厶+厶）Cs]+心（？
经竺+“⑶，贝叽
drdt
（17）
ucsi=£力（Klcosa/+K2sin由于UcsiwfO所以Kl=0,则（18）式化为：
ucsi=a"K2sin0‘（19）
所以：
isi=Cv：
=Cs\（aK2ea^sincot+©K2costy”）（20）dt
由于isi（o>=I»所以K2=———，则（15）式的通解为:
codCs\
Ucsi=sincodt（21）
gCs、
可以求出（14）式的一个特解Ucs「=2Vbus,则（14）式的通解为:
Ia
Ucsi=esincodt+2Vbus（22）
codCs\
所以Ucsi过充的电压（超过2Vbus部分）为：
I&
AU=ksine屛（23）
叫5
（24）
由于«<0,所以0力vl,贝IJ：
AU（MAX）=
叫5
四、三种SNUBBER电路的比较
1、Uce的最大尖峰电压（Cs的最大过充电压厶U（max））
RCDSNUBBER：
AUi=
0Qi
变形的RCDSNUBBER：
AU2=
RCSNUBBER：
AU3=
因为3尸如一&2,所以△Ui=AU2制电压尖邮的能力最差。
2、开关管损耗
RCD、RC电路的C中电荷要经过开关管泄放，开关管损耗较大：
变形的RCD电路的C中电荷不会经过开关管泄放，开关管损耗较小。
3、Rs功耗
RC电路中的Rs在Cs充放电过程中都有损耗，损耗较大，令损耗为Prsi，贝IJ：
Prsi=KCs":
$f
（f为开关频率，K为损耗系数，因为Cs中电荷不可能全部损耗在Rs上，所以K<1）RCD电路中的Rs只在Cs放电过程中有损耗，损耗居中，令损耗为Prs2,贝9：
Prsf*KCsU.f
变形的RCD电路中的Rs只在Cs放电过程中有损耗，且Cs中的电压变化幅度为△U,所以损耗最小，令损耗为PRS3,贝9：
17
PRS3=-ATCsAf/2f
4、EMI
三种电路都能降低di/dt,从这方而看EMI差不多。
RCD电路降低了开关管关断过程的du/dt,EMI最好：
RC电路虽然也降低了开关管关断过程的du/dt,但由于RC常数较大,du/dt比RCD电路大，EW1I居中：
变形的RCD电路不能抑制开关管关断过程的du/dt,EMI最差。
五、3A3-15KS逆变SNUBBER电路设计
1、允许Cs的过充电压AU
BUS电压Vbus最髙取450V,贝ij2*Vbus=900V,如果选用1200V的管子，贝lj
AU<12OO-9OOV=3OOV
这里留有一泄裕量，取△U=25OV°
2、分布电感估算
2/3
布线电感的经验估算公式为：
L=2/（ln—--）10"7（H）
d4
3A3-15KSBUS电容与IGBT间用长导线连接，其长导线为主要分布电感来源，正BUS
线长0.3m.负BUS长0.26m,都釆用10#线,线径为0.003m,所以有:
3、Cs选择
（先根据RCDSNUBBERil•算.软件限流点为90A,实际上由于采样点在开关周期的中
点.所以电流有超过90A的可能，这里取1=100A进行计算）
心式7詈有'
Csi=
这里取104/1000V电容。
4、Rs损耗计算
（取损耗系数K=0.1）
RCDSNUBBER：
PRS2=-KCsU二=0.5*0.1*0.1*1O'6*11502*19200=114W2
RCSNUBBER：
Prsi=KCsUcs=0」乜1*106*11502*l9200=228W
变形的RCDSNUBBER：
Prss=KCsHU2=0.5*0.1*0.1*106*2502*19200=6W
5、SNUUBER电路选择
从Rs损耗计算中可以看岀，选择RCDSNUBBER电路损耗会非常大，而选择RCSNUBBER电路损耗会再增大一倍，因此需选择变形的RCDSNUBBER电路（CLAMPING电路）。
6、Ds选择
根据上面的分析可以知道，在Ds开始导通的瞬间，Ds将流过所有的负载电流，软件限流点为90A,实际上电流有超过90A的可能，所以Ds的Ifsm应该大于150A,这里选择RHRP1512O（15A/12OOV）,其Ifsm=200A°
7、Rs选择
Rs是Cs中过充电压的放电电阻，一般选择放电时间常数RsCs<-,所以:
3
T1
Rs<==174G
3Cs3*0.1*10"*19200
由于变形的SNUBBER电路Cs的放电电流不经过开关管，所以Rs可以取得较小，使Cs的过充电压尽快泄放，这里取Rs为3个10OHM/5W的电阻串联」
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