第1章 缓冲与吸收电路

1、西南交通大学电力电子技术电力电子技术Power Electronics缓冲吸收电路缓冲吸收电路西南交通大学学习目的学习目的1 1）由于电路的结构，开关损耗总是存在的）由于电路的结构，开关损耗总是存在的2 2）在高频运行时开关损耗很大，必须重视）在高频运行时开关损耗很大，必须重视3 3）减小开关损耗的基本方法）减小开关损耗的基本方法4 4）本章内容是广义的）本章内容是广义的5 5）是）是“软开关软开关”概念的基础概念的基础6 6）应用的基础）应用的基础内容在参考教材中（元件、软开关章节）内容在参考教材中（元件、软开关章节）西南交通大学缓冲电路作用：缓冲电路作用： 1 1）将电压与电流的值保持在）

2、将电压与电流的值保持在安全工作区安全工作区(SOA)(SOA)内内 2 2）确保器件的电压）确保器件的电压/ /电流变电流变化率足够低，以保证化率足够低，以保证 器件能正器件能正确和可靠工作确和可靠工作 3 3）限制器件在开关时的功）限制器件在开关时的功率损耗率损耗 4 4）消除二极管的正向电压）消除二极管的正向电压恢复与反向电流恢复的影响恢复与反向电流恢复的影响二次击穿限制二次击穿限制电流限制电流限制功率限制功率限制电压限制电压限制VI西南交通大学第第1 1节关断缓冲电路节关断缓冲电路1.11.1关断损耗与关断损耗与SOASOA假定相关的波形从初值到终值作直线变化假定相关的波形从初值到终值作

3、直线变化当三极管关断时，其典型的电压、电流波形如图当三极管关断时，其典型的电压、电流波形如图注意到只有当三极管两端的电压达到注意到只有当三极管两端的电压达到v vdcdc时，二极时，二极管管D D的反压才能解除。而的反压才能解除。而D D导通后，三极管导通后，三极管Q Q中的电中的电流才会改变。流才会改变。vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc + vQ 西南交通大学mJtIVdtiuwffdcdcqtqdissf52/0若开关频率为若开关频率为20KH20KH，则三极管中的能耗为，则三极管中的能耗为100W100W假定关断时间假定关断时间t tf f=0.5=0.5微秒，微秒，I Id

4、cdc=50=50安，安，V Vdcdc=400=400伏伏每个关断过程的能量损失是：每个关断过程的能量损失是：迭加在三极管的迭加在三极管的SOASOA中的关断轨迹图中的关断轨迹图 VI1231vQVdcIdciQ230tff西南交通大学1.2 1.2 基本的关断缓冲电路基本的关断缓冲电路DIdc+Vdc CQ由于电容由于电容C C提供了第三条路径，提供了第三条路径，Q Q关断时关断时V VQ Q变化引变化引起起i iQ Q下降。电容下降。电容C C控制着控制着V VQ Q从零上升到从零上升到V Vdcdc的上升的上升率。当率。当C C足够大，足够大，i iQ Q下降到零时，下降到零时，V V

5、Q Q只上升到只上升到V Vdcdc的很小的一部分。结果三极管的功耗比无的很小的一部分。结果三极管的功耗比无C C的情的情况要小得多。况要小得多。 vQiQ0tfIdcVdc西南交通大学加入电容后的关断轨迹加入电容后的关断轨迹关断轨迹Vi123例例1 1：如何选择电容的值：如何选择电容的值上图中的三极管电流在上图中的三极管电流在t=tt=tf f时达时达到零，三极管两端的电压是到零，三极管两端的电压是 V Vdcdc在在t=0t=0与与t=tt=tf f 的过渡期间的过渡期间V VQ Q按平方规律变化。按平方规律变化。在关断过程中三极管总的能量损耗是：在关断过程中三极管总的能量损耗是： fdc

6、dcvtfdcfdcvtQQdisstIVdtttIttVdtivWff121)1 ()(020若选择若选择C CS S的值，使的值，使 =0.2=0.2，并假定，并假定t tf f=0.33=0.33微秒，微秒，则则W Wdissdiss=0.12=0.12焦尔。焦尔。在在t=0t=0与与t=tt=tf f间电容器的电流是：间电容器的电流是：西南交通大学ttIiIifdcQdcCFVtItvtQCdcvfdcfQfcs1 . 02)()(电容所充的电荷是电容所充的电荷是t=0t=0与与t=tt=tf f间内对电容电流的积分间内对电容电流的积分电容值为：电容值为：1.3 1.3 实际的关断缓冲

7、电路实际的关断缓冲电路电阻电阻R RS S的作用是限制当三极管的作用是限制当三极管再次导通时电容的放电电流。再次导通时电容的放电电流。二极管二极管D DS S的作用是在关断期旁的作用是在关断期旁路电阻。路电阻。DSIdc+Vdc RS西南交通大学电阻必须足够小，以保证在电阻必须足够小，以保证在Q Q在可能的最小导通在可能的最小导通时间内完全地放电；但同时它又应足够大以防止时间内完全地放电；但同时它又应足够大以防止放电电流超过放电电流超过Q Q的额定值。的额定值。 第第2 2节导通缓冲电路节导通缓冲电路2.12.1导通损耗与导通损耗与SOASOA假定相关的波形从初值到终值作直线变化假定相关的波形

8、从初值到终值作直线变化当三极管导通时，其典型的电压、电流波形如图当三极管导通时，其典型的电压、电流波形如图vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc + vQ 西南交通大学在在i iQ Q等于等于I Idcdc前，前，v vQ Q必定维持为必定维持为V Vdcdc 当负载电流完全由二极管换到三极管后，当负载电流完全由二极管换到三极管后，D D关断关断v vQ Q下降到零。下降到零。导通期间三极管的电压与电流不为零，这将产导通期间三极管的电压与电流不为零，这将产生开通损耗和使开通轨迹超出生开通损耗和使开通轨迹超出SOASOAVI321导通损耗计算与关断损耗相同。将导通损耗计算与关断损耗相同。将

9、t tf f用用t tr r来代替即可来代替即可 1vQVdcIdciQ23trf0西南交通大学2.2 基本的导通缓冲电路基本的导通缓冲电路 iQvQ0trVdcIdcDIdc+Vdc LSQ缓冲电感与三极管串联缓冲电感与三极管串联当加入电感后，导通期间由于电感当加入电感后，导通期间由于电感L LS S两端产生自两端产生自感电压，三极管两端电压不再是感电压，三极管两端电压不再是V Vdcdc。由于由于L LS S中电流的上升率正比于中电流的上升率正比于1/L1/LS S，选择，选择L LS S值可值可使使v vQ Q到零时三极管电流仅为到零时三极管电流仅为I Idcdc的一个分数值的一个分数值

10、 西南交通大学假定假定 =0.33=0.33，tr =0.1tr =0.1微秒，损耗为：微秒，损耗为：mJtIiVWrdcdcdiss06. 0121加入电感后的开通轨迹加入电感后的开通轨迹123iQvQ0trVdcIdc导通轨迹Vi123开通轨迹在开通轨迹在SOA内内西南交通大学2.3 实际的导通缓冲电路实际的导通缓冲电路 图中，三极管关断时电图中，三极管关断时电阻为电感电流提供了通阻为电感电流提供了通道；二极管的作用是避道；二极管的作用是避免在导通期电阻导电。免在导通期电阻导电。电阻电阻R应在三极管的断态应在三极管的断态使电感完全放电使电感完全放电DIdc+Vdc LQ例例2 2：确定开通

11、缓冲电路中各元件的值：确定开通缓冲电路中各元件的值L LS S可由关系可由关系 =L=LsIsI求出。求出。在在t=tt=tr r、i iQ Q= = I Idcdc时时 可由电感电压的积分求出可由电感电压的积分求出西南交通大学HItVLILtVdtudcirdcsdcisrdctLr2.12210式中：式中：V Vdcdc=400=400伏、伏、I Idcdc=50=50安、安、 i i=0.33=0.33、tr=0.1tr=0.1微秒微秒第第3 3节组合导通关断缓冲电路节组合导通关断缓冲电路要实现导通与关要实现导通与关断缓冲两个功能，断缓冲两个功能，可以将单独的导可以将单独的导通和关断缓冲

12、电通和关断缓冲电路组合起来路组合起来DIdc+Vdc LQ西南交通大学第一种方法：第一种方法：一个标准的由一个标准的由RCD关断缓冲电路与一个导通缓冲关断缓冲电路与一个导通缓冲电感电感L LS S联接。联接。）在导通时，除）在导通时，除CsCs的放电电流叠加到的放电电流叠加到i iQ Q中外中外, ,其其它与原电路完全相同。它与原电路完全相同。但实际上不需要这样做。为简化电路我们采用但实际上不需要这样做。为简化电路我们采用别的组合方法。别的组合方法。）关断时，在）关断时，在t t1 1时刻前，与前述相同。但在时刻前，与前述相同。但在t t1 1时时刻当刻当V Vc c=V=Vdcdc和和D D

13、R R导通后，导通后，L LS S仍流过电流仍流过电流i iL L=I=Idcdc，因此，因此s s和和L LS S会振荡会振荡1/41/4周期，直到周期，直到i iL L=0=0，D D关断，关断，R Rs s阻尼阻尼这个过渡过程。这个过渡过程。西南交通大学Vdc Idctf tt1vc(tf)= VdcVdc t1tt2vc(t1)= Vdc iL(t1)=IdcVdcIdc iQ0ttfvc(0)=0Idc+Vdc CSRLSQiQt2VQ0tfvQiLt1IdcVdcVdc t2tvc(t2)= Vdc+ vc iL(t2)=0西南交通大学Q Q两端因振荡产生的电压增量为两端因振荡产生

14、的电压增量为 ssdcQCLIv 例例3 3：计算组合缓冲电路产生的瞬变电压：计算组合缓冲电路产生的瞬变电压若若C CS S=0.066=0.066微法，微法，L LS S=1.2=1.2微亨。三极管的电压峰微亨。三极管的电压峰值值V VQ Q=V=Vdcdc + + V VC C=613=613伏伏该值相对该值相对V Vdcdc较大，说明这种组合缓冲电路可能会较大，说明这种组合缓冲电路可能会增大开关的电压应力。增大开关的电压应力。 第二种方法：第二种方法：一个标准的一个标准的RLDRLD开通缓冲电路与一个关断缓冲电开通缓冲电路与一个关断缓冲电容容C CS S联接。联接。西南交通大学）在关断期

15、间，除了电阻两端的放电电压（缓）在关断期间，除了电阻两端的放电电压（缓冲电感中的电流续流）对冲电感中的电流续流）对v vQ Q有影响外，有影响外，v vQ Q和和i iQ Q的的波形与原始关断电路波形一样。波形与原始关断电路波形一样。 ）在导通期间：）在导通期间：注意到电容注意到电容C CS S上有电压初值上有电压初值在在t tr r时刻时刻v vQ Q=0=0。以后。以后L LS S线性充电，在线性充电，在 t t1 1达到达到I Idcdc，此，此时，续流管时，续流管D DR R关断。在这一段时间前，关断。在这一段时间前，DsDs反偏压反偏压vC C=V=Vdcdc。当。当D DR R在在

16、t t1 1时刻关断后，由于时刻关断后，由于C CS S上的电压的原上的电压的原因，因，L LS S和和C CS S振荡，直到振荡，直到t t2 2时刻时刻v vC C=0=0，然后，然后 DsDs导通导通i iQ Q以以过阻尼方式稳定在过阻尼方式稳定在I Idcdc。三极管中的峰值电流发生在。三极管中的峰值电流发生在t t2 2时刻，并且等于时刻，并且等于SSdcdcQdcQLCVIiII西南交通大学VdcIdc iQ0ttriQ(tr)= Idcvc(t1)= Vdc iL(t1)=Idctrtt1VdcIdc iQIdc+Vdc CSRLSQvQt2IQ0triQvct1vdcIdcvc

17、(t2)= 0 iL(t1)=Idc+ ILt1tt2VdcIdc iQvc(t2)= 0 iL(t1)=Idct2tVdcIdc iQ西南交通大学第第4 4节缓冲电路的另一种布置方法节缓冲电路的另一种布置方法关断缓冲电路的作用关断缓冲电路的作用是控制是控制v vQ Q的上升率。如的上升率。如果控制果控制Q Q的集电极与地间的集电极与地间的电压也就能控制的电压也就能控制v vQ QIdc+Vdc CSRLS+Vdc Idc开通缓冲电路控制开关过开通缓冲电路控制开关过程中电流的上升率。这种程中电流的上升率。这种联接对联接对i iQ Q的控制效果与电的控制效果与电感串联时的效果是一样的感串联时的效

18、果是一样的 西南交通大学主电路有主电路有“寄生寄生”现象，特别是在高频时。例如，现象，特别是在高频时。例如，三极管、二极管和输出电感相联的节点对其它节三极管、二极管和输出电感相联的节点对其它节点有分布电容。有点有分布电容。有“关断缓冲电容关断缓冲电容”的作用。同的作用。同样地，寄生电感具有导通缓冲电路的作用样地，寄生电感具有导通缓冲电路的作用。第第5 5节节缓冲电路的损耗缓冲电路的损耗 缓冲电路中的储能将被损耗掉。例如关断缓冲缓冲电路中的储能将被损耗掉。例如关断缓冲电路中的电容在电路中的电容在Q Q开始关断时储能为零，关断过程开始关断时储能为零，关断过程结束时被充到结束时被充到V Vdcdc。

19、当。当Q Q再次导通再次导通C CS S中的储能就在中的储能就在R RS S上消耗掉。上消耗掉。5.15.1单独的导通单独的导通/ /关断缓冲电路关断缓冲电路在开关关断时刻，电容储能：在开关关断时刻，电容储能：W= CW= CS SV Vdcdc2 2/2/2西南交通大学电容为电容为dcvfdcfQfcsVtItvtQC2)()(储能为储能为 mJVItWvdcdcfc25. 84式中，直流电压电流值用与前边相同的数据式中，直流电压电流值用与前边相同的数据 这比无缓冲电路时能耗大这比无缓冲电路时能耗大(t(tf f/2t/2tffff v v) )倍倍 v v越小，缓冲作用越大，但同时损耗越大

20、。越小，缓冲作用越大，但同时损耗越大。导通缓冲电路中电感的储能导通缓冲电路中电感的储能W= LW= LS SI Idcdc2 2/2/2。mJtVIWirdcdcL5 . 14dcirdcsItVL2损耗为：损耗为：电感为：电感为：西南交通大学同样，损耗的能量比无缓冲电路时大。同样，损耗的能量比无缓冲电路时大。5.25.2组合导通组合导通/ /关断缓冲电路关断缓冲电路组合电路组合电路1 1的电容电压最终超过电源电压的值。所的电容电压最终超过电源电压的值。所以，电容峰值储能为以，电容峰值储能为 2)(21QdcscVVCW可重写为可重写为ssdcdcdcsdcscCLIVILVCW)(2122第

21、一项正好是当两个缓冲电路不组合时损耗的能量第一项正好是当两个缓冲电路不组合时损耗的能量最后一项由最后一项由C CS S中的储能产生。这部分能量通过电容中的储能产生。这部分能量通过电容的放电电流送回到输入电源去的放电电流送回到输入电源去。西南交通大学组合缓冲电源的实际能耗等于不组合时的能耗组合缓冲电源的实际能耗等于不组合时的能耗 5.35.3断缓冲电路引起的损耗断缓冲电路引起的损耗若将三极管及其并联的关断缓冲电路当作一个独立若将三极管及其并联的关断缓冲电路当作一个独立的开关，关断过程中电压电流和功率如图所示的开关，关断过程中电压电流和功率如图所示+Idcis0vsVdctftf/2v这个开关的特

22、点：元件两端的电压几乎线性上升。这个开关的特点：元件两端的电压几乎线性上升。到达到到达到V Vdcdc时二极管导通，负载电流续流。时二极管导通，负载电流续流。西南交通大学开关本身耗能与开关本身耗能与V Vdcdc、I Idcdc和关断时间成正比。但有和关断时间成正比。但有缓冲电路时，过渡过程的时间比无缓冲电路的情况缓冲电路时，过渡过程的时间比无缓冲电路的情况要大要大t tf f/(2t/(2tffff v v) )倍，所以它吸收的能量相应地增大倍，所以它吸收的能量相应地增大了。同理可得，由三极管和导通缓冲电路吸收的能了。同理可得，由三极管和导通缓冲电路吸收的能量将比无缓冲电路的三极管工作时吸收

23、的能量大量将比无缓冲电路的三极管工作时吸收的能量大t tr r/(2t/(2trfrf i i) )倍。倍。加入耗能缓冲电路降低了电路的总效率，但半导体加入耗能缓冲电路降低了电路的总效率，但半导体开关本身的损耗却减小了。开关本身的损耗却减小了。 第第6 6节节能量回收型缓冲电路能量回收型缓冲电路如果组合缓冲电路以如果组合缓冲电路以20KH20KH的频率工作，其能耗为的频率工作，其能耗为 WILVCfsWdcsdcspiss130)105 . 1105(1020)2121(33322西南交通大学iQvc1iLvc1它为变换器输出的它为变换器输出的2.6%2.6%，设占空比为，设占空比为0.250

24、.25。具有能量回收能力的关断缓冲电路具有能量回收能力的关断缓冲电路 当当Q Q关断时，二个电容构成两个并联关断缓冲电路关断时，二个电容构成两个并联关断缓冲电路电感不起作用，因为电感不起作用，因为D D3 3总是反偏。总是反偏。 + D1D2D3DC1LC2vQ当当Q Q再次导通时，其电流在再次导通时，其电流在t tr r时刻上升到时刻上升到I Idcdc，在这，在这点点D D关断，关断，v vQ Q开始下降直到零。开始下降直到零。trIdc西南交通大学若若t tr r远小于远小于LCLC的振荡周期，可认为这时电路由的振荡周期，可认为这时电路由C C2 2、D D3 3、L L和和C C1 1

25、组成，并由幅值为组成，并由幅值为V Vdcdc的阶跃电压激励。的阶跃电压激励。电路的响应是一个二阶振荡，该振荡持续半个周电路的响应是一个二阶振荡，该振荡持续半个周期，直到期，直到iLiL企图变负，企图变负，D3D3关断。关断。若两个电容相等，它们均被充电到若两个电容相等，它们均被充电到V Vdcdc。总的电容电压是总的电容电压是V VC1C1+V+VC2C2=2V=2Vdcdc该缓冲电路不耗能。电容储能来自电源；在关断该缓冲电路不耗能。电容储能来自电源；在关断过程中储能传送给负载。过程中储能传送给负载。通常这种缓冲电路采用不等值电容器。较小值的通常这种缓冲电路采用不等值电容器。较小值的电容总会被充到电