缓冲电路的作用与基本类型1缓冲电路的作用与基本类型电力电子

缓冲电路的作用与基本类型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 circuit) 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 GTR 开关过程中集电极电压 uCE 和集电极电流 i C 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 i C 由 0 升到 ICM ；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。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 I GBT 上出现了过电压，其值为电源电压 UCC 和 LdiC/dt 两者的叠加。图 2(b) 为开通时的 uCE 和 iC 波形，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 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。图 4(d) 是大功率 GTO 逆变桥臂上的非对称 RLCD 缓冲电路。图 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=18F 。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/dt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。