缓冲电路设计与仿真设计

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1、1缓冲电路作用缓冲电路一般并联在开关器件两端，主要有抑制过电压、 降低器件损耗、消除电磁干扰的作用。1）抑制过电压逆变器高频工作时， 开关器件快速开通、 关断。由于主电路存在杂散电感，器件在开关过程中，急剧变化的主电路电流会在杂散电感上感应出很高的电压，使器件在关断时承受很高的关断电压。在器件关断时，主电路杂散电感上会产生与直流电压同向的感应电压pl:Lp d-，若无缓冲电路，则该电压会加在器件两端形成过电压，当该电压超过器件额定电p dtdi/dt 也会导致较高的过电压。(1.1)压时，器件损坏。此外，反并联二极管在反向恢复时产生的2）降低器件损耗已知器件的功耗由下式决定：P 丄 Tuidt

2、T 0在电路中增加缓冲电路，可以改变器件的电压、电流波形，进而降低损耗。从下图可知，在 没有缓冲电路时，电压快速升至最大值，而此时电流依然是最大值，此时的损耗最大。加入缓冲电路后，避免了电压、电流出现同时最大值的情况，损耗得以降低。无缓冲电路3）消除电磁干扰电路运行时，在没有缓冲电路的情况下，器件两端电压会发生高频振荡，产生电磁干扰。采用缓冲电路，可抑制器件两端电压的高频振荡，起到减小电磁干扰的作用。因此，降低或消除器件电压、电流尖峰，限制dI/dt或dV/dt，降低开关过程中的振荡以及损耗，我们在逆变器中设计缓冲电路，以保证器件安全可靠工作。2杂散电感的测量与计算设计缓冲回路之前，首先需要确

3、定杂散参数的量。杂散电感是特定电路布局的结果，不容易计算出来，我们一般采用测量的方法来确定杂散电感的大小。在没有任何缓冲回路时， 用示波器观察器件关断时的振荡周期T1；接着，在开关管两端并联一个值确定的电容，即测试电容Ctest，重新测量器件关断时的振荡周期T2。则杂散电感可由下式得出:Lp(t2 Ti2)42Ctest(2.1)杂散电容为:Cp2Lp(2 fi)(2.2)其中fi为无缓冲电路时的振荡频率。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。S1TC型RC型RC型图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

4、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 极电流升咼结构简单、易造成过 冲电压、会引起集电 极电流升咼克服过冲电压过 高、过电压抑制效果 较好、会引起集电极 电流升咼围中等容量装置小容量、低频率装置小容量、低频率装置

5、F表是针对直流母线电感量，以过冲电压100V为前提计算出的推荐值，便于缓冲电路的设计。模块塑号推荐设计值主母线电怨CnH)缰冲电路 类型缰冲电路何路 电!S (nH)缰冲迫奪 (HF)10A50A A 合城七合 型200A型200.10.4775A200A 六 合一或七舍一 型iOOA200.6L050A200A或单元100B型200.472.03Q0A60CA 秋单元50B203.06+U200A300A欢单元50C5130150.47400A单元5012L0600A 单元50C型82,04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高压 ，这种浪涌电压如果不加以抑制，可能会造成功

6、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)。在高频场合下，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:可得:(4.1)(4.2)4.2 RC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

7、能量，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，Uds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:1 2PR 1CsUDsf*n(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，即：2fCsU DS f(4.5)缓存电容的选择要满足两个要求, 存储的能量要大，也就是要满足下式：首先，缓存电容能够存储的能量要比电路中杂散电感其次，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

8、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：32 ton（4.7）其中tonDT ，D为占空比，T器件开关周期。所以RsDT30(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。综上所述，得 到：2LsCs(4.9)(4.10)LpI2 C 浪 uDs s fu DsDT3Cs4.3 RCD缓冲电路rc型电路又分为如下三类。其中，n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

9、瞬态电压效果稍差。川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。电路类型RCD吸收电路（I型）RCD吸收电路（川型）特点过电压抑制效果好、 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 电感小适用围中等容量、较咼频率大容量、高频率装置川型装置4.3.1 I型缓冲电路RC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

10、产生很高的电压尖峰，因而大大降低了在开关管截止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，从而使其两端的电压下降到 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完全截止结束。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设线性化换流过程持续的

11、时间为九由上图得:Ili DSi csi DSIl(1tf(2.11)i csIltf当时，即换流过程结束，有:Vcs1csicsdtVdc绘Vcs（0）(2.12)在此过程中，开关器件 1端的电压为，由于实际的换流过程并非完全线性,L、缓冲电路寄生电感因此在过程中会出现第一个电压尖峰，且此电压尖峰与母线电流心关断时电流的有关。b）杂散电感谐振放能阶段线性化换流阶段结束后，开关完全截止。主回路杂散电感Lp与缓冲电容Cs谐振，Lp中储存的能量通过 Cs泄放当达到谐振峰值时，回路电流i为零，缓冲电路二极管 DS截止，钳位茂防止振荡的发生。在此过程中将出现第二个电压尖峰，且此电压尖峰是由杂 散电感卩

12、引起，在下面的分析中可看到，该电压尖峰与母线电流儿、杂散电感Lp、缓冲电路寄生电感 人、缓冲电容G有关。这一过程的等效电路如下图：电路方程为:初始条件为:由电路方程得:Vcst可求得，当其中,时，电容匚两端的电压峰值:VdcL Lp Ls(2.13). 2Ldt Vcs LCs 齢 Vcsi 0 Il； Vcs 0Vdc2CsZsi 0 sin k0tVdcVcs 0 Vdc cos kot(Zsi 0 )2/2sin(kth)2Vcs 0Vdc1/h =肌伽 )/和(0)VcspkVdc Vcs 0Vd(Zsi 0 )22(2.14)(2.15)(2.16)(2.17)因此，可得:Cs(V

13、cspkI丄s2 2Vdc)Vcs 0 Vdc(2.18)若是忽略换流器件c的升高，可取:CsI丄s2VcspkVdc(2.19)(2.20)(2.21)c) 缓冲电容.放电阶段及缓冲电阻的参数计算谐振放能阶段结束后， 通过、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。电路方程为：VcsVdcRs初始条件为：2 2 12 Vcs 0VcspkVdc Vcs 0 Vdc(Zsi 0)2 2可求得在放电过程中:Vcs tVdc1t/R C -aU%e s s(2.22)I Rs i CsdVcssdtU%VCet/RsCRs(2.

14、23)RsVcs t Vdc、Csl n(=y-)(2.24)Vcspk Vdc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其最大放电时间为（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，其最大放电时间为Ts/2，假设当时认为上的过电压放电完毕，且限定如/帧=_ x 10()%= 15Uh,则三相两电平拓扑下:Rs3CSl n15(2.25)Prs* S jRs2RsdtTs oU%Vj3fs 1gfs( U%Vdc)2(2.26)由前面可知:同理可求出单相拓扑下:Rs2CSl n15(4.27)1）缓冲二极管的选择缓冲二极管电压容量应

15、与同理可得单相逆变器中二极管:IGBT额定电压容量相当，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谐振放能阶段有电流流过缓冲二极管。j 箕一在线性化换流阶段电流为勺，在谐振放能阶段电流由前面式可得为尬（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M /tcos （ZfOt - h）2dt =刃勺十帀帀山十十血DSF = S Jy Jf + 2k0 + 2h + 询2期 V r 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

16、.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。4.3.2 型RCD缓冲电路川型RCD缓冲电路川型川型RCD缓冲电路与前面的I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，其工作过程可分为：线性化换流、母线寄生电感Lp谐振转移能量和缓冲电容 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完全截止结束。流过母线寄生电Lp的母线电流Io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

17、线性，因此在这个过程中会出现第一个电压尖峰（图3中厶Up1）。这个尖峰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，可估计出 Up1为：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束后，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D

18、s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中厶Up2）。此尖峰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 Up2:1,1r式中：Lp为母线寄生电感；i为工作电流；Cs为缓冲电容值； Up2为缓冲电压峰值。 如果已经确定了厶Up2的限定值，则可用式（2）确定缓冲电容 Cs的值：3）缓冲电容Cs放电阶段及缓冲电阻 Rs的参数计算在第二阶段结束之后， 缓冲电容Cs上过冲能量通过缓冲电阻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。电路方程：Id 叫 十二叫疔初始条件为：在Cs放

19、电阶段：可得:t咕=CsdtR5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 交换频率。1 Rg 鉴r s缓冲电阻值Rs如果设定过低，由于缓冲电路的电流振荡，IGBT开通时的集电极电流峰值也会相应增加。因此，应在满足上式的围尽量将Rs设定为高值，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额定电压容量相当。 其次，缓冲二极管的瞬态正 向电压下降是关断时发生尖峰电压的原因之一。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

20、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SiC MOS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，主回路寄生电感：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。关周期上的波形，从图中可以看出，在没有缓冲电路时， 电路发生振荡，上臂电流过冲至1

21、30A,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-八一.1 1mif1Fi fn11 - * LVE时，杂散电感电压发生过冲振荡。通过仿真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），为每个桥臂添加0.7uF的电容做缓冲电路，仿真结果如下：6缓冲电路应用的注意事项在以SiC MOSFE为开关器件的主电路中， 造成SiC MOSFE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

22、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出了一个挑战,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，这种宽板起到了防止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

23、冲电路在关断过程中将出现两个电压尖峰，第一个电压尖峰出现在换流阶段，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，此电压尖峰是由于 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 ，还将出现振荡。应此，如何有效抑制两次电压尖峰 以及如何使SiC MOSFE极端压快速稳定是 SiC MOSFE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SiC MOSFET关断时的di/dt。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

24、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 SiC MOSFE模块，一般安装在SiC MOSFE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进行合理的设计，其设计公式可依据前面公式。由分析式可知 ，所需的电容量 与母线寄生电感成正比。 这样，上面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。其次需要考虑的是， 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。7参考文献1 全柱，

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