缓冲电路的作用与基本类型

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1、1、 缓冲电路的作用与基本类型电力电子器件的缓冲电路(snubber circui t)又称吸收电路，它是电力电子 器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件(如 GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等)的应用技术中起着重要的作用。晶闸管开通时，为了防止过大的电流上升率而烧坏器件，往往在主电路中串 入一个扼流电感，以限制过大的di/dt,串联电感及其配件组成了开通缓冲电路, 或称串联缓冲电路。晶闸管关断时，电源|稳压器电压突加在管子上，为了抑制 瞬时过电压和过大的电压上升率，以防止晶闸管内部流过过大的结电容电流而误 触发，需要在晶闸管的两端并联一个RC网络，构成

2、关断缓冲电路，或称并联缓 冲电路。GTR、 GTO 等全控型自关断器件在实际使用中都必须配用开通和关断缓冲电 路；但其作用与晶闸管的缓冲电路有所不同，电路结构也有差别。主要原因是全 控型器件的工作频率要比晶闸管高得多，因此开通与关断损耗是影响这种开关器 件正常运行的重要因素之一。例如，GTR在动态开关过程中易产生二次击穿的现 象，这种现象又与开关损耗直接相关。所以减少全控器件的开关损耗至关重要， 缓冲电路的主要作用正是如此，也就是说GTR和功率MOSFET用缓冲电路抑制 di/dt和du/dt,主要是为了改变器件的开关轨迹，使开关损耗减少，进而使器 件可靠地运行。图1(a)是没有缓冲电路时GT

3、R开关过程中集电极电压uCE和集电极电流iC 的波形，由图可见开通和关断过程中都存在uCE和iC同时达到最大值的时刻； 因此出现了瞬时的最大开关损耗功率Pon和Poff，从而危及器件的安全。所以, 应采用开通和关断缓冲电路，抑制开通时的di/dt,降低关断时的du/dt,使uCE 和iC的最大值不会同时出现。图1(b)是GTR开关过程中的uCE和iC的轨迹，其中轨迹1和2是没有缓冲 电路的情况，开通时uCE由UCC (电源电压)经矩形轨迹降到0,相应地iC由0 升到I CM ；关断时iC由ICM经矩形轨迹降到0,相应地uCE由0升高到UCC。不 但集电极电压和电流的最大值同时出现，而且电压和电

4、流都有超调现象，这种情 况下瞬时功耗很大，极易产生局部热点，导致GTR的二次击穿而损坏。加上缓冲 电路后，uCE和iC的开通与关断轨迹分别如3和4所示，由图可见，其轨迹不 再是矩形，避免了两者同时出现最大值的情况，大大降低了开关损耗，并且最大 程度地利用于GTR的电气性能。U(a) GTR在开关过程中的叱E和i戯形 叱c和g的轨迹图1GTR徑关断过程中的贱e和ic波形及其轨迹GTR的开通缓冲电路用来限制导通时的di/dt,以免发生元件的过热点，而 且它在GTR逆变器中还起着抑制贯穿短路电流的峰值及其di/dt的作用。GTO的 关断缓冲电路不仅为限制GTO关断时再加电压的du/dt及过电压，而且

5、对降低 GTO的关断损耗，使GTO发挥应有的关断能力，充分发挥它的负荷能力起重要作 用。IGBT 的缓冲电路功能更侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于 IGBT的工作频率可以高达3050kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的 LdiC/dt，从而产生过电压，危及IGBT的安全。图2(a)和图2(b)是PWM逆变器 中IGBT在关断和开通中的uCE和iC波形。由图2(a)可见，在iC下降过程中IGBT 上出现了过电压，其值为电源电压UCC和LdiC/dt两者的叠加。GND图2逆变黠中IGBTSr和开通时的肢務(町关断时的畑.和心(b)幵通时的叫和九图2(b)为开通时的uCE和iC波形

6、，图中增长极快的iC出现了过电流尖峰 iCP，当iCP回落到稳定值时，过大的电流下降率同样会引起元件上的过电压而 须加以吸收(如图所示)。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于 在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向 恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时 贯穿短路，使iC出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大 IGBT 的容量。综上所述，缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，通过限压、限流、抑制 di/dt和du/dt,把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗到缓 冲电路的电阻上，或者由缓冲

7、电路设法再反馈到电源中去。此缓冲电路可分为两 在类，前一种是能耗型缓冲电路，后一种是反馈型缓冲电路。能耗型缓冲电路简 单，在电力电子器件的容量不太大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用 很广泛。2、 缓冲电路的基本结构缓冲电路的功能包括抑制和吸收二个方面。图3(a)是这种电路的基本结构, 串联的LS用于抑制di/dt的过量，并联的CS通过快速二极管DS充电，吸收器 件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加du/dt。当器件开 通时CS上的能量经RS泄放。对于工作频率较高、容量较小的装置，为了减少损 耗，可将图3(a)的RLCD电路简化为图3(b)的形式。这种由RCD网络构成的

8、缓冲 电路普遍用于GTR、GTO、电力MOSFET及IGBT等电力电子器件的保护。图3基本缓冲电路电力电子器件的(b)共联RED级冲电蹈图4 所示的几种缓冲电路是上述基本 RCD 缓冲电路的简化或演变。如图 4 所示，既可用于逆变器中IGBT模块的保护，也适用于其他电子器件的缓冲保护； 但其性能有所不同。图4(a)是最简单的单电容电路，适用于小容量的IGBT模块 (1050A)或其他容量较小的器件；但由于电路中有无阻尼元件，容易产生振荡， 为此CS中可串入RS加以抑制，这种RC缓冲电路在晶闸管的保护中已用得很普 遍。图4(b)是把RCD缓冲电路用于由两只IGBT组成桥臂的模块上，此电路比较 简

9、单；但吸收功能较单独使用 RCD 时略差，多用于小容量元件的逆变器桥臂上。 有时还可以把图4(a)、图4(b)两种缓冲电路并联使用，以增强缓冲吸收的功能。 图4(c)是RS交叉连结的缓冲电路，当器件开断时，CS经DS充电，抑制du/dt； 当器件开通前，CS经电源和RS释入电荷，同时有部分能量得到反馈，这种电路 对大容量的器件，例如， 400A 以上的 IGBT 模块比较适合。U)眄BT桥慵慣堆帕刖桥恃慎戎普用 晌电容电羽的KCD电蹄(c)行丘獲血堆的心甲坷毓阿反睛功昶. 的RCD电間(c) 旳吸收唯歸图J电力电于群杵的其他捋冲电酪图4(d)是大功率GTO逆变桥臂上的非对称RLCD缓冲电路。图

10、4(d)中电感受 LS经过DS和RS释放磁场能量。GTO开断时，CS经DS吸收能量并经RS把部分 能量反馈到电网上去；因此损耗较小，适用于大容量的GTO逆变器。图4(c)和 图4(d)的功能类似，其CS具有吸收电能和电压箝位双重功能，且效率较高。图4(e)是三角形吸收电路，这里吸收电容C1C3为三角形联结，在T1关断 时，并联在T1两端的总吸收电容量C3和C2串联再和C1并联后组成，即总电容 量是。这种电路的特点是：3只电容器之间几乎不需要连结线，所以 寄生电感极小；在电力电子器件工作过程中每只电容器都参予工作，电容器利 用率高；电路的损耗较小，日立公司曾在一定的条件下进行试验比较，这种电 路

11、的损耗约为 RCD 电路损耗的 40%，因此我国研制中的 CTO 交流传动电力机车逆 变器也采用这种电路，其GTO的规格为3000A、4500V,吸收电容量为 C1=C2=C3=18“F。TCs图5缓神电路中的杂散电感对关断液形的影响(町缓冲电路中的必(b)心便阳眾电压严主尖堤缓冲电路引线中的杂散电感LS必须限制到最小，以防止电力电子器件在 关断时出现电压尖峰，并消除杂散电感与缓冲电路中 CS 构成谐振回路所产生的 振荡。图5是以电感性负载中的GTO的缓冲电路为例，说明杂散电感LS对关 断过程中阳极电压产生尖峰电压UP的影响。在阳极电流迅速下降时，随着CS 快速充电，LS上所产生的LSdiS/d t电势加在GTO上；故LS越大，UP越 大，管耗 Poff 也越严重。此外，在感性负载下阳极电流下降率 diA/dt 与缓冲电 路中的电流上升率diS/dt相等，故负载电流越大，下降越快，LSdiS/d也越 大，同样会产生严重后果。所以缓冲电路中的R、C、D等元件也力求采用无感元 件。