保护电路设计方法---过电压保护模板

保护电路设计方法 过电压保护 2 过电压保护 过电压的产生及抑制方法 过电压产生的原因 对于 IGBT 开关速度较高 IGBT 关断时及 FWD 逆向恢复时 产生很高的 di dt 由于模块周围 的接线的电感 就产生了 L di dt 电压 关断浪涌电压 这里 以 IGBT 关断时的电压波形为例 介绍产生原因和抑制方法 以具体电路 均适用 IGBT FWD 为例加以说明 为了能观测关断浪涌电压的简单电路的图 6 中 以斩波电路为例 在图 7 中示出了 IGBT 关断 时的动作波形 关断浪涌电压 因 IGBT 关断时 主电路电流急剧变化 在主电路分布电感上 就 会产生较高的电压 关断浪涌电压的峰值可用下式求出 VCESP Ed L dIc dt 式中 dlc dt 为关断时的集电极电流变化率的最大值 VCESP 为超过 IGBT 的 C E 间耐压 VCES 以至损坏时的电压值 过电压抑制方法 作为过电压产生主要因素的关断浪涌电压的抑制方法有如下几种 在 IGBT 中装有保护电路 缓冲电路 可吸浪涌电压 缓冲电路的电容 采用薄膜电容 并靠近 IGBT 配置 可使高频浪涌电压旁路 调整 IGBT 的驱动电路的 VCE 或 RC 使 di dt 最小 尽量将电件电容靠近 IGBT 安装 以减小分布电感 采用低阻抗型的电容效果更佳 为降低主电路及缓冲电路的分布电感 接线越短越粗越好 用铜片作接线效果更佳 缓冲电路的种类和特 缓冲电路中有全部器件紧凑安装的单独缓冲电路与直流母线间整块安装缓冲电路二类 个别缓冲电路 为个别缓冲电路的代表例子 可有如下的缓冲电路 RC 缓冲电路 充放电形 RCD 缓冲电路 放电阻止形 RCD 缓冲电路 表 3 中列出了每个缓冲电路的接线图 特点及主要用途 表 3 单块缓冲电路的接线圈特点及主电用途 缓冲电路接线 图 特点 注意事项 主要用途 RC 缓冲电路 关断浪涌电压抑制效果好 最适合于斩波电路 使用大容量 IGBT 时 必须使缓冲电阻值很小 这样开通时的集电 极电流增大 IGBT 功能受到限制 焊接机 开关电源 充放电形 RCD 缓冲电路 可抑制关断浪涌电压 与 Rc 缓冲电路不同 因加了缓冲二极管使缓冲电阻变大 因而避 开了开通时 IGBT 功能受到限制的问题 与放电阻止形 RCD 缓冲电路相比 缓冲电路中的损耗 主要由缓 冲电阻产生 非常大 因而不适用于高频开关用途 在充放典型 RCD 缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗可由下式求出 式中 L 主电路中分布电感一 lo IGBT 关断时集电极电流 Cs 缓冲电容值 Ed 直流电源电压 f 开关频率 放电阻止形 缓冲电路 放电阻止形缓冲电路 有抑制关断浪涌电压效果 最适合用于高频开关用途 在缓冲电路中产生的损耗小 在充放电形 RCD 缓冲电路的缓冲电阻上产生的损耗可用下式求出 式中 L 主电路的分布电感 Io IGBT 关断时的集电极电流 f 开关频率 逆变器 整体缓冲电路 作为这类缓冲电路的代表例子 有下面几种缓冲电路 C 缓冲电路 RCD 缓冲电路 最近 为简化缓冲电路的设计 大多采用整体缓冲电路 表 4 列出了各种整体缓冲电路的接线 图和特点 主要用途 表 5 中列出了采用整体缓冲电路时的缓冲电路容量的数值 图 8 示出了这 类缓冲器开断波形的例子 表 4 整体缓冲电路的接线图特点及主要用途 缓冲电路接线图特点 注意事项 主要用途 C 缓冲电路 电路最简单 由主电路电感及缓冲电容构成谐振电路电 压易产生振荡 逆变器 RCD 缓冲电路缓冲二极管的选择错误 可产生较高的尖 峰电压并在缓冲二极管反向恢复时 电压 产生振荡 逆变器 表 5 整体 缓冲容量数值 驱动条件 器件规格 项目 VCE V RG 主电路分布电感 H 缓冲电容值 Cs F 50A 51 75A 33 100A 24 0 47 150A 16 0 2 1 5 200A 9 1 0 16 2 2 300A 6 8 0 1 3 3 600V 400A 4 7 0 08 4 7 50A 24 75A 16 100A 9 1 0 47 150A 5 6 0 2 1 5 1200V 200A 15 4 7 0 16 2 2 300A 2 7 0 1 3 3 样品 2MBI100N 060 Ed Vcc 300V VGE 15 15V RG 24 Cs 0 47UF 放电阻止形 RCD 缓冲电路设计方法 作为 IGBT 缓冲电路 认为最合理的放电阻止形 RCD 缓冲电路的基本设计方法说明如下 是否适用的研讨 图 9 示出了使用放电阻止形 RCD 缓冲电路时关断时的动作轨迹图 放电阻止形 RCD 缓冲器 当 IGBT 的 C E 间电压超过直流电源电压时开始工作 其理想的动作 轨迹用点线来表示 但是 在实际装置中 由於缓冲电路接线电感及缓冲二极管过渡正向电压下降的影响 关断时 尖峰电压的存在 变成了向右扩张的 如实线所示 放电阻止形 RCD 缓冲电路是否时适用取决於关断时动作轨述能否收拔在 IGBT 的 RBSOA 内而 定 另外 关断时的峰值电压可用下式求出 式中 Ed VFM Ls dlc dt 直流电源电压 缓冲二极管过渡止向电压降 缓冲电路的接线电感 关断时的集电极电流变化率的最大值 缓冲二极管的一般过度正向电压降的参考值通常如下 600V 级 20 30V 1200V 级 40 60V 缓冲电容 Cs 容量值的计示方法 缓冲电容所必须的容量值可用下式求出 式中 L Io VCEF Ed 主电路的分布电感 IGBT 关断时的集电极电流 缓冲电容电压的最终值 直流电源电压 VCEF 必须控制在小於 IGBT 的 C E 间耐压值 此外 缓冲电容 要选用高频特性优良的电容 薄膜电容器等 缓冲电阻 Rs 值的求法 对缓冲电阻性能要求是 IGBT 能进行关断动作 能将缓冲电容上积聚电荷通放电来进行 IGBT 关断时 以放电 90 的积聚电荷为条件 由下式可求出缓冲电阻值 如果将缓冲电阻值设定得过低 缓冲电路冲电流可能振荡 由於 IGBT 接通时集电极电流峰值 增加 在上式荡是的范围内 请设定在最高值为佳 缓冲电阻产生的损耗 P Rs 和阻值系可由下式求得 缓冲二极管的选定 缓冲二极管过渡正向电压降减小是关断时尖峰电压产生的主要原因之一 另外 缓冲二极管逆向恢复时间变长 在高频开关工作时 使缓冲二极管产生的损耗变大 缓冲二极管的逆向恢复动作变得困难 在缓冲二极管逆向恢复动作时 IGBT 的 C E 间电压急剧增 大且产生振荡 对于缓冲二极管 要选择过度正向电压低 逆向恢复时间短 逆向恢复特性较软 容易 的为佳 跟随电路接线上的注意事项 由于缓冲电路的接线是导致尖峰电压产生的主要原因 所以 电路器件的配置 尽量使分布电 感降低为好 在带变压器的开关电源拓扑中 开关管关断时 电压和电流的重叠引起的损耗是开关电源 损耗的主要部分 同时 由于电路中存在杂散电感和杂散电容 在功率开关管关断时 电 路中也会出现过电压并且产生振荡 如果尖峰电压过高 就会损坏开关管 同时 振荡的 存在也会使输出纹波增大 为了降低关断损耗和尖峰电压 需要在开关管两端并联缓冲电 路以改善电路的性能 缓冲电路的主要作用有 一是减少导通或关断损耗 二是降低电压或电流尖峰 三是降低 dV dt 或 dI dt 由于 MOSFET 管的电流下降速度很快 所以它的关断损耗很小 虽然 MOSFET 管依然使用关断缓冲电路 但它的作用不是减少关断损耗 而是降低变压器漏感 尖峰电压 本文主要针对 MOSFET 管的关断缓冲电路来进行讨论 1 RC 缓冲电路设计 在设计 RC 缓冲电路时 必须熟悉主电路所采用的拓扑结构情况 图 l 所示是由 RC 组成的 正激变换器的缓冲电路 图中 当 Q 关断时 集电极电压开始上升到 2Vdc 而电容 C 限 制了集电极电压的上升速度 同时减小了上升电压和下降电流的重叠 从而减低了开关管 Q 的损耗 而在下次开关关断之前 C 必须将已经充满的电压 2Vdc 放完 放电路径为 C Q R 假设开关管没带缓冲电路 图 1 所示的正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同 这样 当 Q 关断瞬间 储存在励磁电感和漏感中的能量释放 初级绕组两端电压极性反向 正激 变换器的开关管集电极电压迅速上升到 2Vdc 同时 励磁电流经二极管 D 流向复位绕组 最后减小到零 此时 Q 两端电压下降到 Vdc 图 2 所示是开关管集电极电流和电压波形 可见 开关管不带缓冲电路时 在 Q 关断时 其两端的漏感电压尖峰很大 产生的关断损 耗也很大 严重时很可能会烧坏开关管 因此 必须给开关管加上缓冲电路 当开关管带缓冲电路时 其集电极电压和电流波形如图 3 所示 以正激变换器为例 在图 1 中 当 Q 开始关断时 其电流开始下降 而变压器漏感会阻止这个电流的减小 一 部分电流将继续通过将要关断的开关管 另一部分则经 RC 缓冲电路并对电容 C 充电 电 阻 R 的大小与充电电流有关 Ic 的一部分流进电容 C 可减缓集电极电压的上升 通过选取足够大的 C 可以减少集电 极的上升电压与下降电流的重叠部分 从而显著降低开关管的关断损耗 同时还可以抑制 集电极漏感尖峰电压 图 3 中的 A C 阶段为开关管关断阶段 C D 为开关管导通阶段 在开关管关断前 电容 C 两端电压为零 在关断时刻 B 时刻 C 会减缓集电极电压的上升速度 但同时也被充电到 2Vdc 在忽略该时刻的漏感尖峰电压的情况下 电容 C 的大小不仅影响集电极电压的上升速度 而且决定了电阻 R 上的能量损耗 在 Q 关 断瞬间 C 上的电压为 2Vdc 它储存的能量为 0 5C 2Vdc 2 焦耳 如果该能量全部消耗 在 R 上 则每周期内消耗在 R 上的能量为 对限制集电极上升电压来说 C 应该越大越好 但从系统效率出发 C 越大 损耗越大 效率越低 因此 必须选择合适的 C 使其既能达到一定的减缓集电极上升电压速度的作 用 又不至于使系统损耗过大而使效率过低 在图 3 中 由于在下一个关断开始时刻 D 时刻 必须保证 C 两端没有电压 所以 在 B 时 刻到 D 时刻之间的某时间段内 C 必须放电 实际上 电容 C 在 C D 这段时间内 也可以 通过电阻 R 经 Q 和 R 构成的放电回路进行放电 因此 在选择了一个足够大的 C 后 R 应 使 C 在最小导通时间 ton 内放电至所充电荷的 5 以下 这样则有 式 1 表明 R 上的能量损耗是和 C 成正比的 因而必须选择合适的 C 这样 如何选择 C 就 成了设计 RC 缓冲电路的关键 下面介绍一种比较实用的选择电容 C 的方法 事实上 当 Q 开始关断时 假设最初的峰值电流 Ip 的一半流过 C 另一半仍然流过逐渐关 断的 Q 集电极 同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为 Ip 那么 通过选择合适的电 容 C 以使开关管集电极电压在时间 tf 内上升到 2Vdc 其中 tf 为集电极电流从初始值下降 到零的时间 可以从开关管数据手册上查询 则有 因此 从式 1 和式 3 便能计算出电容 C 的大小 在确定了 C 后 而最小导通时间已知 这样 通过式 2 就可以得到电阻 R 的大小 2 带 RC 缓冲的正激变换器主电路设计 2 1 电路设计 图 4 所示是一个带有 RC 缓冲电路的正激变换器主电路 该主电路参数为 Np Nr 43 匝 Ns 32 匝 开关频率 f 70 kHz 输入电压范围为直流 48 96 V 输出为直流 12 V 和直流 0 5 A 开关管 Q 为 MOSFET 型号为 IRF830 其 tf 一般为 30 ns Dl D2 D3 为快恢复二极管 其 tf 很小 通常 tf 30 ns 本设计的输出功率 P0 V0I0 6 W 假设变换器的效率为 80 每一路 RC 缓冲电路所损 耗的功率占输出功率的 1 这里取 Vdc 48 V 2 2 实验分析 下面分两种情况对该设计进行实验分析 一是初级绕组有缓冲 次级无缓冲 二是初级无 缓冲 次级有缓冲 1 初级绕组有缓冲 次级无缓冲 该实验测量的是开关管 Q 两端的漏源电压 实验分以下两种情况 第一种情况是 RS1 1 5 k CS1 不定 输入直流电压 Vdc 为 48 V 其实验结果为 在 RS1 不变的情况下 CSl 越大 虽然开关管 Q 的漏感尖峰电压无明显降 低 但它的漏源电压变得平缓了 这说明在初级开关管的 RC 缓冲电路中 CSl 应该选择比 较小的值 第二种情况是 CSl 33 pF RS1 不定 输入直流电压 Vdc 为 48 V 其结果是 当 CS1 不变 时 RS1 越大 开关管 Q 的漏感尖峰电压越大 增幅比较小 可见 RC 缓冲电路中 参数 R 的大小对降低漏感尖峰有很大的影响 在选定一个合适的 C 同时满足式 2 时 R 应该选择比较小的值 2 次级绕组有缓冲 初级无缓冲 本实验以 D2 D3 的阴极作为公共端来测量快恢复二极管的端压 其结果是 当 R 不变时 C 越大 二极管两端的漏感尖峰越小 同时理论上 如果 C 为无穷大时