第八章 吸收电路

8.1 吸收电路的功能与类型,8.2 二极管的吸收电路,8.3 晶闸管吸收电路,8.4 功率晶体管的吸收电路,8.5 关断吸收电路,第八章 吸收电路,8.6 过电压吸收电路,8.7 导通吸收电路,小结,8.8 桥路结构的吸收电路,8.9 GTO吸收电路的考虑,下 页,返回,第八章 吸收电路,8.1 吸收电路的功能与类型,在器件关断瞬间，限制器件上的电压；在器件导通瞬间，限制流过器件中的电流；在器件导通时，通过不同器件组合限制电流上升率；,电力电子器件的开关过程中，将施加在变流器中电力电子器件上的电气威胁降低到器件的额定值以内。,吸收电路的功能,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,在器件关断期间，或器件重新施加前向阻断电压时，能够限制电压上升率；在器件导通和关断时，能够改变器件在开关期间的瞬态电压、电流波形。,吸收电路分类,无极性串联 R-C 吸收电路。有极性的串联R-C吸收电路。有极性的L-R吸收电路。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,谐振型吸收电路,开关威胁的缓解可以由许多经典的电力电子变流电路实现。,吸收电路是附加在基本变流器上的辅助电路，根据应用情况的不同，吸收电路既可以单独使用，也可以组合起来使用。,减轻电力电子器件在开关过程中的威胁。,吸收电路的作用,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.2 二极管的吸收电路,附加在二极管上的吸收电路是为了最大限度的减小过电压。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,二极管的反向恢复电流假定像图中所示那样逐渐关断，同时假定负载是感性的，在开关过程中，其电流保持恒定值I0不变。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.2.1 容性吸收电路,容性吸收电路,在RsCs串联吸收电路中令Rs=0时的吸收电路。,二极管关断时的等效电路，假定图中的开关为理想开关。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,选取二极管在反向恢复电流的峰值时刻关断，并将此时刻在时间轴上定为t=0，此时的电感的初始电流为Irr，吸收电路中电容上的初始电压假设为零。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,图中等效电路Rs=0，此时电容电压与二极管参考电压方向相反，根据电路原理的基本概念知，此时的电路方程为：,自然谐振角频率,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,uCs(t)的最大值为：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,二极管反向最高电压与采用下式计算得到的最大值UCs.max一样，当Cs取较小值时，二极管的最高电压就会变得很大。,Cs=Cbase下的电容电压uCs(t)和电感电流iLs(t)的波形。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.2.2 增加吸收电阻的效果,二极管关断时刻为t=0，电感初始电流为Irr，电容的初始电压为零。二极管电压的微分方程为：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,代入到,得：,式中，,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,得二极管最高反向电压为：,将t=tm代入到式,式中，,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,引入电阻Rs，谐振的幅值得到有效抑制。二极管所承受的最高反向电压取决于Rs和Cs。当Cs确定时，最高电压随Rs变化。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,保持Cs的值不变时，Rs的最优值为： Rs=Ropt=1.3Rbase该值可使二极管最高反向电压有效降低。,当Cs=Cbase时，标准化后的二极管最高电压随Rs/Rbase比值变化的函数曲线。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,吸收电路在不同参数下的计算曲线，吸收电路的最优电阻和最高电压Umax作为Cs的函数形式给出。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,假定二极管是理想的单向导电器件，它没有电能损耗，则电阻Rs中所消耗的能量可以认为是电感和电容中所储存的能量：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,当谐振电流达到零时，电感中的储能为零，电阻上的压降也为零，则储存在Cs中的能量为：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,储存在电容中的能量等到二极管再次受到正向偏压而导通时得到释放。二极管在瞬间导通，耗散在二极管和吸收电阻中总能量为：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,当Cs超过Cbase后，最高电压值的下降速度不高，但消耗的总能量却随着Cs的增加而线性增加。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.2.3 吸收电路分析,通过变压器耦合的单相二极管整流器工作在线性区域。变压器原边的开关断开时，二极管开始导通 。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,当变压器原边的开关闭合时，漏电感和二极管中的电流逐渐减小。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,选择二极管Irr快速返回的时刻作为时间轴的原点，由此所得到的等效电路如图所示。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,假设斩波器工作在连续电流模式，当变压器原边开关断开后，则输出电流的一半将从其中一个二极管流过。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,在开关闭合时，如果正电压加在变压器原边，此时通过D1的电流将增加，流过D2的电流就会减少。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,二极管D2断流瞬间的等效电路，每个二极管有一个吸收电路跨接在它的两端。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,二极管D1反向恢复电流被切断后，D4对感性电流提供一个通道，二极管D1上的反向电压可被钳位在直流电容电压Udc的幅值。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,若单相全桥整流器处于连续导通状态，则滤波电感放在如图所示的直流侧。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,若交流侧的电抗Xs (=wLs )为5%，即表示为：,式中，Us：电源电压的有效值 Is1：负载电流基波分量的有效值,在120的理想方波情况下，Is1=4Id /，根据实际波形的平滑性，可用 近似。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,一个RC吸收电路可用来保护所有的二极管。二极管反向恢复电流的关断速度比50Hz交流输入电源us(t)的变化速度快，在二极管关断时us(t)的值可近似认为是恒定的直流量。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.3 晶闸管吸收电路,三相桥式整流器电路结构,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,设晶闸管T1和T2正处于导通状态，在触发角a时触发T3，此时，电流id将由与a相相连的晶闸管T1向与b相相连的晶闸管T3换流，换流电压为uba。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,线路阻抗为5%时，式 变为：,式中，ULL：线电压的有效值 Id：负载电流。,电压源取线电压的最大值 ，此时相当于a = 90。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,假定反向恢复时间trr=10ms，整个换流期间的换流电压是恒定的 ，通过晶闸管T1的di/dt为：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,并在图中的电流反向恢复期间的电流变化率di/dt用Di/DtIrr/trr表示，因此，,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,上式中，trr的值取10ms。当Cs的取值为Cbase时，最接近于系统的最优值。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,根据右两图和下式,可以得到：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,将式,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,假定一个电阻的标幺值，使Rs=Ropt = 1.3Rbase，Rbase的取值可用 计算，再根据式,得到：,Rs=Ropt可由右式得到，,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,将晶闸管上的电压波形设定在a=90o的触发角处，此时的电压波形如图所示。每个吸收电路中总的能量损耗为:,将式 带入到上式后得：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,如果三相变流器的容量用kVA表示，则在50Hz工作频率时每个吸收电路的功率损耗为:,对于任一trr和交流线路电感可采用类似的方法进行计算。较保守的设计方法要求Cs大于Cbase。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.4 功率晶体管的吸收电路,吸收电路,关断吸收电路,导通吸收电路,过电压吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,含有杂散电感的降压斩波电路,U-I特性,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,假定晶体管处于导通状态，导通电流ic=I0。设晶体管在t0时刻关断，关断期间晶体管电压开始上升，在t1时刻到来之前，电路中各支路的电流仍保持不变，此时续流二极管开始导通，与此同时，晶体管中的电流开始衰减。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管中电流的衰减速度取决于晶体管的特性和它的基极驱动电流。t0t1期间的晶体管电压为：,式中, Ls=L1+L2+ diC/dt为负值,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,t3时刻，电流衰减结束，晶体管的电压则下降到Ud值，并在其后维持该值不变。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,t4时刻，电流开始上升，上升速率取决于晶体管的特性和基极驱动电流，晶体管电压为：,式中, diC/dt为正，晶体管电压略低于Ud,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,续流二极管的反向恢复电流的作用使iC大于I0。续流二极管的反向恢复电流在在t5时刻结束，然后BJT的电压开始下降，直到t6时降为零。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.5 关断吸收电路,关断吸收电路在电流切断时给晶体管提供一个零电压，在BJT两端跨接了一个RCD网络。为分析方便起见，线路上的杂散电感忽略不计。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管关断时，它的电流iC以恒定的diC/dt衰减，电流(I0iC)通过吸收电路的二极管Ds流入电容。若电流的下降时间为tfi，则电容电流为：,式中，iCs在关断时刻（t=0）的值为零在二极管处于导通状态下，电容电压与晶体管两端的电压相同：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,只要电容电压小于或等于Ud，表达式在整个电流下降区间内都成立。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,吸收电容Cs取较小值时，电容电压在电流下降时间结束之前很快达到Ud，同时，续流二极管Df导通，将电容和晶体管的电压钳位在Ud，因duCs/dt等于零，iCs接着降到零。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,当Cs=Cs1时，电流iCs达到下降时间tfi时，电容电压也达到Ud。将t=tfi和uCs=Ud代入下式,得：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,吸收电容Cs取较大值时电压上升速率较慢，在tfi之后才达到Ud。在tfi之后，电容电流等于I0，因此，电容电压和晶体管电压线性上升到Ud。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,Cs取不同值时晶体管的关断损耗,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,吸收电路由一个纯电容和一个用于关断吸收电路的二极管所组成。Cs使导通电流超过I0，超过续流二极管的反向恢复电流。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管在导通期间具有恒定的diC/dt特性。根据Cs值的不同，这个电荷等于下图其中的一个阴影面积。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,当没有吸收电容Cs时，由于电压下降时间相当快，可近似认为晶体管在导通时立即下降到零。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,电容放电时间内消耗在晶体管中的附加能量为：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管电压在导通时立即下降到零，电容中的能量消耗在吸收电阻中，其能量为：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,吸收电阻值的选择以限制通过自身的峰值电流小于续流二极管反向恢复电流Irr为原则，即：,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,吸收电路含有Rs的电路结构的优越性,所有的电容能量都被电阻吸收，而电阻的散热比晶体管散热要容易得多；晶体管不会由于关断吸收电路的存在而产生附加的能量耗散问题；晶体管必须承受的峰值电流不会由于关断吸收电路的存在而增加。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,Cs的选择：使关断开关轨迹保持在反偏安全运行区域之内；根据冷却条件，尽量减少晶体管的损耗；使晶体管关断消耗的能量与吸收电阻所吸收的能量之和尽可能的小。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管导通状态下，电容放电的时间常数tc=RsCs，电容电压为:,放电电压uCs(t)下降到0.1Ud所需要的时间间隔为2.3tc，导通时间为：ton2.3RsCs,例,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.6 过电压吸收电路,具有杂散电感的电路,过电压吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管两端的过电压DuCE用图中已充电的电容等效电路计算:,Cov的值越大，过电压DUCE.max就越低。由于Dov的存在，使Ls的电流过零后的反向电流能通过Rov放电，电容上的过电压逐渐衰减到Ud。,电容的放电时间常数RovCov应足够小，以保证晶体管在下一次关断之前，电容电压有足够的时间衰减到Ud。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,根据所观测到的kUd值，可将计算方程表示为:,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,如果上式用变量Cs1表示，则：Cov=200kCs,即使Cov的值较大，但耗散在Rov中的能量与耗散在关断吸收电路电阻中的能量具有相同的数量级。关断吸收电路和过电压保护吸收电路应同时使用。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.7 导通吸收电路,导通吸收电路与晶体管串联,导通吸收电路与续流二极管串联,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管两端的电压在导通期间减少的幅值为：,式中，tri为图中所示Ls取较小值时的电流上升时间。对于较小的Ls值，di/dt的大小取决于晶体管特性和基极驱动电流，与没有导通吸收电路的情况相同。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,Ls值较大时电流上升率di/dt=Ud/Ls，晶体管两端的电压在电流上升期间基本为零：,式中，IF为二极管的前向电流，在晶体管导通期间，Ls中的电流为I0。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,晶体管关断时，储存在吸收电感中的能量Ls I02/2在吸收电阻RLs中耗散掉。吸收电路的时间常数tL=Ls /RLs。晶体管关断期间，导通吸收电路在晶体管两端产生的过电压为：DUCE.max=RLsI0晶体管关断期间，电感中的电流须衰减到一个较低的值，在晶体管下一次导通时吸收电路才能起到作用。因此，BJT关断的最小间隔时间应满足:,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,Undeland吸收电路包含了三种吸收电路，同时还能够减少元器件的数量。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.8 桥路结构的吸收电路,关断吸收电路在降压斩波电路中可行，但这种关断吸收电路不能在没有导通吸收电路的情况下使用。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,二极管Df+在T+关断时处于导通状态，电容Cs+的电压为零。当T导通时，在Df+的反向恢复过程中将有一个容性放电电流通过T。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,在图中所示RC吸收电路中的电容取较小值，可降低dv/dt。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,带有导通和关断吸收电路的桥路,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,图中电路能够很方便地实现过电压保护，也可认为是桥式电路中的Undeland电路结构，它是将电容Cov以图示的方式进行连接，而Rs相当于代替了Rov，起到过电压保护中电容器的作用。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,8.9 GTO吸收电路的考虑,可控电流的最大值取决于关断吸收电路的电容Cs。,下 页,上 页,返 回,第八章 吸收电路,GTO关断时，会随着它的阳极-阴极间电压的增加产生最大变化率的问题，这将导致对电容依赖性的进一步增加。当GTO在关断时的电压