第1章 緩沖及吸收電路

電力電子技術(shù)

PowerElectronics

緩沖吸收電路

學(xué)習(xí)目的1）由于電路的結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)損耗總是存在的2）在高頻運(yùn)行時(shí)開(kāi)關(guān)損耗很大，必須重視3）減小開(kāi)關(guān)損耗的基本方法4）本章內(nèi)容是廣義的5）是“軟開(kāi)關(guān)”概念的基礎(chǔ)6）應(yīng)用的基礎(chǔ)內(nèi)容在參考教材中（元件、軟開(kāi)關(guān)章節(jié)）緩沖電路作用：1）將電壓與電流的值保持在安全工作區(qū)(SOA)內(nèi)

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(kāi)關(guān)時(shí)的功率損耗

4）消除二極管的正向電壓恢復(fù)與反向電流恢復(fù)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(jié)關(guān)斷緩沖電路1.1關(guān)斷損耗與SOA假定相關(guān)的波形從初值到終值作直線變化當(dāng)三極管關(guān)斷時(shí)，其典型的電壓、電流波形如圖注意到只有當(dāng)三極管兩端的電壓達(dá)到vdc時(shí)，二極管D的反壓才能解除。而D導(dǎo)通后，三極管Q中的電流才會(huì)改變。vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc+vQ

若開(kāi)關(guān)頻率為20KH，則三極管中的能耗為100W假定關(guān)斷時(shí)間tf=0.5微秒，Idc=50安，Vdc=400伏每個(gè)關(guān)斷過(guò)程的能量損失是：迭加在三極管的SOA中的關(guān)斷軌跡圖VI1231vQVdcIdciQ230tff1.2基本的關(guān)斷緩沖電路DIdc+VdcCQ由于電容C提供了第三條路徑，Q關(guān)斷時(shí)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(dāng)C足夠大，iQ下降到零時(shí)，VQ只上升到Vdc的很小的一部分。結(jié)果三極管的功耗比無(wú)C的情況要小得多。

vQiQ0tfIdcVdc加入電容后的關(guān)斷軌跡關(guān)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(shí)達(dá)到零，三極管兩端的電壓是Vdc在t=0與t=tf

的過(guò)渡期間VQ按平方規(guī)律變化。在關(guān)斷過(guò)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?fàn)?。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(nèi)對(duì)電容電流的積分電容值為：1.3實(shí)際的關(guān)斷緩沖電路電阻RS的作用是限制當(dāng)三極管再次導(dǎo)通時(shí)電容的放電電流。二極管DS的作用是在關(guān)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(dǎo)通時(shí)間內(nèi)完全地放電；但同時(shí)它又應(yīng)足夠大以防止放電電流超過(guò)Q的額定值。第2節(jié)導(dǎo)通緩沖電路2.1導(dǎo)通損耗與SOA假定相關(guān)的波形從初值到終值作直線變化當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，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(dāng)負(fù)載電流完全由二極管換到三極管后，D關(guān)斷vQ下降到零。導(dǎo)通期間三極管的電壓與電流不為零，這將產(chǎn)生開(kāi)通損耗和使開(kāi)通軌跡超出SOAVI321導(dǎo)通損耗計(jì)算與關(guān)斷損耗相同。將tf用tr來(lái)代替即可

1vQVdcIdciQ23trf02.2基本的導(dǎo)通緩沖電路

iQvQ0trVdcIdcDIdc+VdcLSQ緩沖電感與三極管串聯(lián)當(dāng)加入電感后，導(dǎo)通期間由于電感LS兩端產(chǎn)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(shí)三極管電流僅為Idc的一個(gè)分?jǐn)?shù)值假定=0.33，tr=0.1微秒，損耗為：加入電感后的開(kāi)通軌跡123iQvQ0trVdcIdc導(dǎo)通軌跡Vi123開(kāi)通軌跡在SOA內(nèi)2.3實(shí)際的導(dǎo)通緩沖電路

圖中，三極管關(guān)斷時(shí)電阻為電感電流提供了通道；二極管的作用是避免在導(dǎo)通期電阻導(dǎo)電。電阻R應(yīng)在三極管的斷態(tài)使電感完全放電DIdc+VdcLQ例2：確定開(kāi)通緩沖電路中各元件的值LS可由關(guān)系=LsI求出。在t=tr、iQ=Idc時(shí)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(jié)組合導(dǎo)通／關(guān)斷緩沖電路要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通與關(guān)斷緩沖兩個(gè)功能，可以將單獨(dú)的導(dǎo)通和關(guān)斷緩沖電路組合起來(lái)DIdc+VdcLQ第一種方法：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的由RCD關(guān)斷緩沖電路與一個(gè)導(dǎo)通緩沖電感LS聯(lián)接。ａ）在導(dǎo)通時(shí)，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(shí)際上不需要這樣做。為簡(jiǎn)化電路我們采用別的組合方法。ｂ）關(guān)斷時(shí)，在t1時(shí)刻前，與前述相同。但在t1時(shí)刻當(dāng)Vc=Vdc和DR導(dǎo)通后，LS仍流過(guò)電流iL=Idc，因此Ｃs和LS會(huì)振蕩1/4周期，直到iL=0，D關(guān)斷，Rs阻尼這個(gè)過(guò)渡過(guò)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(chǎn)生的電壓增量為

例3：計(jì)算組合緩沖電路產(chǎn)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(duì)Vdc較大，說(shuō)明這種組合緩沖電路可能會(huì)增大開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力。第二種方法：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RLD開(kāi)通緩沖電路與一個(gè)關(guān)斷緩沖電容CS聯(lián)接。ａ）在關(guān)斷期間，除了電阻兩端的放電電壓（緩沖電感中的電流續(xù)流）對(duì)vQ有影響外，vQ和iQ的波形與原始關(guān)斷電路波形一樣。ｂ）在導(dǎo)通期間：注意到電容CS上有電壓初值在tr時(shí)刻vQ=0。以后LS線性充電，在t1達(dá)到Idc，此時(shí)，續(xù)流管DR關(guān)斷。在這一段時(shí)間前，Ds反偏壓vC=Vdc。當(dāng)DR在t1時(shí)刻關(guān)斷后，由于CS上的電壓的原因，LS和CS振蕩，直到t2時(shí)刻vC=0，然后Ds導(dǎo)通iQ以過(guò)阻尼方式穩(wěn)定在Idc。三極管中的峰值電流發(fā)生在t2時(shí)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(jié)緩沖電路的另一種布置方法關(guān)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(kāi)通緩沖電路控制開(kāi)關(guān)過(guò)程中電流的上升率。這種聯(lián)接對(duì)iQ的控制效果與電感串聯(lián)時(shí)的效果是一樣的

主電路有“寄生”現(xiàn)象，特別是在高頻時(shí)。例如，三極管、二極管和輸出電感相聯(lián)的節(jié)點(diǎn)對(duì)其它節(jié)點(diǎn)有分布電容。有“關(guān)斷緩沖電容”的作用。同樣地，寄生電感具有導(dǎo)通緩沖電路的作用。第5節(jié)

緩沖電路的損耗

緩沖電路中的儲(chǔ)能將被損耗掉。例如關(guān)斷緩沖電路中的電容在Q開(kāi)始關(guān)斷時(shí)儲(chǔ)能為零，關(guān)斷過(guò)程結(jié)束時(shí)被充到Vdc。當(dāng)Q再次導(dǎo)通CS中的儲(chǔ)能就在RS上消耗掉。5.1單獨(dú)的導(dǎo)通/關(guān)斷緩沖電路在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)刻，電容儲(chǔ)能：W=CSVdc2/2電容為儲(chǔ)能為

式中，直流電壓電流值用與前邊相同的數(shù)據(jù)

這比無(wú)緩沖電路時(shí)能耗大(tf/2tffv)倍v越小，緩沖作用越大，但同時(shí)損耗越大。導(dǎo)通緩沖電路中電感的儲(chǔ)能W=LSIdc2/2。損耗為：電感為：同樣，損耗的能量比無(wú)緩沖電路時(shí)大。5.2組合導(dǎo)通/關(guān)斷緩沖電路組合電路1的電容電壓最終超過(guò)電源電壓的值。所以，電容峰值儲(chǔ)能為可重寫為第一項(xiàng)正好是當(dāng)兩個(gè)緩沖電路不組合時(shí)損耗的能量最后一項(xiàng)由CS中的儲(chǔ)能產(chǎn)生。這部分能量通過(guò)電容的放電電流送回到輸入電源去。組合緩沖電源的實(shí)際能耗等于不組合時(shí)的能耗

5.3斷緩沖電路引起的損耗若將三極管及其并聯(lián)的關(guān)斷緩沖電路當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)，關(guān)斷過(guò)程中電壓電流和功率如圖所示+Idcis0vsVdctftf/2v這個(gè)開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)：元件兩端的電壓幾乎線性上升。到達(dá)到Vdc時(shí)二極管導(dǎo)通，負(fù)載電流續(xù)流。開(kāi)關(guān)本身耗能與Vdc、Idc和關(guān)斷時(shí)間成正比。但有緩沖電路時(shí)，過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間比無(wú)緩沖電路的情況要大tf/(2tffv)倍，所以它吸收的能量相應(yīng)地增大了。同理可得，由三極管和導(dǎo)通緩沖電路吸收的能量將比無(wú)緩沖電路的三極管工作時(shí)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(dǎo)體開(kāi)關(guān)本身的損耗卻減小了。第6節(jié)

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(shè)占空比為0.25。具有能量回收能力的關(guān)斷緩沖電路

當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，二個(gè)電容構(gòu)成兩個(gè)并聯(lián)關(guān)斷緩沖電路電感不起作用，因?yàn)镈3總是反偏。+D1D2D3DC1LC2vQ當(dāng)Q再次導(dǎo)通時(shí)，其電流在tr時(shí)刻上升到Idc，在這點(diǎn)D關(guān)斷，vQ開(kāi)始下降直到零。trIdc若tr遠(yuǎn)小于LC的振蕩周期，可認(rèn)為這時(shí)電路由C2、D3、L和C1組成，并由幅值為Vdc的階躍電壓激勵(lì)。電路的響應(yīng)是一個(gè)二階振蕩，該振蕩持續(xù)半個(gè)周期，直到iL企圖變負(fù)，D3關(guān)斷。若兩個(gè)電容相等，它們均被充電到Vdc?？偟碾娙蓦妷菏荲C1+VC2=2Vdc該緩沖電路不耗能。電容儲(chǔ)能來(lái)自電源；在關(guān)斷過(guò)程中儲(chǔ)能傳送給負(fù)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(huì)被充到Vdc，結(jié)果是至少一個(gè)電容可用來(lái)控制VQ的上升率。第7節(jié)

電壓鉗位電路Idc+Vdc調(diào)節(jié)電路電容器已經(jīng)被充電到最大允許電壓VC（鉗位電壓）。調(diào)節(jié)電路使電容電壓保持不變。當(dāng)VQ達(dá)到VC時(shí)，二極管D引導(dǎo)負(fù)載電流到CC。如果CC足夠大，它會(huì)在開(kāi)關(guān)過(guò)程的其余時(shí)間內(nèi)吸收負(fù)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