保護(hù)電路設(shè)計(jì)方法過電壓保護(hù)模板

1、保護(hù)電路設(shè)計(jì)方法 - 過電壓保護(hù)2.過電壓保護(hù) 過電壓的產(chǎn)生及抑制方法 過電壓產(chǎn)生的原因    對于IGBT開關(guān)速度較高，IGBT關(guān)斷時(shí)及FWD逆向恢復(fù)時(shí)，產(chǎn)生很高的di/dt，由于模塊周圍的接線的電感，就產(chǎn)生了L di/dt電壓（關(guān)斷浪涌電壓）。    這里，以IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓波形為例，介紹產(chǎn)生原因和抑制方法，以具體電路（均適用IGBT/FWD）為例加以說明。    為了能觀測關(guān)斷浪涌電壓的簡單電路的圖6中，以斬波電路為例，在圖7中示出了IGBT關(guān)斷時(shí)的動作波形。關(guān)斷浪涌電壓，因IGBT關(guān)斷時(shí)，主電

2、路電流急劇變化，在主電路分布電感上，就會產(chǎn)生較高的電壓。關(guān)斷浪涌電壓的峰值可用下式求出：VCESP=Ed(-L dIc/dt)式中dlc/dt為關(guān)斷時(shí)的集電極電流變化率的最大值；   VCESP為超過IGBT的C-E間耐壓(VCES)以至損壞時(shí)的電壓值。過電壓抑制方法    作為過電壓產(chǎn)生主要因素的關(guān)斷浪涌電壓的抑制方法有如下幾種： 在IGBT中裝有保護(hù)電路（=緩沖電路）可吸浪涌電壓。緩沖電路的電容，采用薄膜電容，并靠近 IGBT配置，可使高頻浪涌電壓旁路。 調(diào)整IGBT的驅(qū)動電路的VCE或RC，使di/dt最小。 盡量將電件電容靠近IGBT安裝，以減小

3、分布電感，采用低阻抗型的電容效果更佳。 為降低主電路及緩沖電路的分布電感，接線越短越粗越好，用銅片作接線效果更佳。 緩沖電路的種類和特    緩沖電路中有全部器件緊湊安裝的單獨(dú)緩沖電路與直流母線間整塊安裝緩沖電路二類。 個(gè)別緩沖電路    為個(gè)別緩沖電路的代表例子，可有如下的緩沖電路 RC緩沖電路 充放電形RCD緩沖電路 放電阻止形RCD緩沖電路     表3中列出了每個(gè)緩沖電路的接線圖。特點(diǎn)及主要用途。表3 單塊緩沖電路的接線圈特點(diǎn)及主電用途緩沖電路接線圖特點(diǎn)（注意事項(xiàng)）主要用途RC緩沖電路·

4、 關(guān)斷浪涌電壓抑制效果好。 · 最適合于斬波電路。 · 使用大容量IGBT時(shí)，必須使緩沖電阻值很小，這樣開通時(shí)的集電極電流增大，IGBT功能受到限制。 焊接機(jī)開關(guān)電源充放電形RCD緩沖電路 · 可抑制關(guān)斷浪涌電壓。 · 與Rc緩沖電路不同。因加了緩沖二極管使緩沖電阻變大，因而避開了開通時(shí)IGBT功能受到限制的問題。 · 與放電阻止形RCD緩沖電路相比，緩沖電路中的損耗（主要由緩沖電阻產(chǎn)生）非常大，因而不適用于高頻開關(guān)用途。 · 在充放典型RCD緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗可由下式求出。式中L：主電路中分布電感一lo：IGBT關(guān)斷時(shí)集電

5、極電流Cs：緩沖電容值Ed：直流電源電壓f：開關(guān)頻率 放電阻止形緩沖電路 放電阻止形緩沖電路 · 有抑制關(guān)斷浪涌電壓效果。 · 最適合用于高頻開關(guān)用途。 · 在緩沖電路中產(chǎn)生的損耗小。 · 在充放電形RCD緩沖電路的緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗可用下式求出。式中L：主電路的分布電感Io：IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流f：開關(guān)頻率 逆變器 整體緩沖電路    作為這類緩沖電路的代表例子，有下面幾種緩沖電路 C緩沖電路 RCD緩沖電路     最近，為簡化緩沖電路的設(shè)計(jì)，大多采用整體緩沖電路。表4列出了各種整體

6、緩沖電路的接線圖和特點(diǎn)，主要用途。表5中列出了采用整體緩沖電路時(shí)的緩沖電路容量的數(shù)值，圖8示出了這類緩沖器開斷波形的例子。表4 整體緩沖電路的接線圖特點(diǎn)及主要用途緩沖電路接線圖特點(diǎn)（注意事項(xiàng)）主要用途C緩沖電路電路最簡單。 由主電路電感及緩沖電容構(gòu)成諧振電路電壓易產(chǎn)生振蕩。 逆變器RCD緩沖電路緩沖二極管的選擇錯(cuò)誤，可產(chǎn)生較高的尖峰電壓并在緩沖二極管反向恢復(fù)時(shí)，電壓產(chǎn)生振蕩。 逆變器  表5 整體（緩沖容量數(shù)值）器件規(guī)格項(xiàng)目驅(qū)動條件主電路分布電感(µH) 緩沖電容值Cs(µF) -VCE（V）RG()600V50A15510.4775A33100A24150A16

7、0.21.5200A9.10.162.2300A6.80.13.3400A4.70.084.71200V50A240.4775A16100A9.1150A5.60.21.5200A4.70.162.2300A2.70.13.3樣品：2MBI100N-060Ed（Vcc)=300VVGE15，15VRG=24 Cs047UF  放電阻止形RCD緩沖電路設(shè)計(jì)方法    作為IGBT緩沖電路，認(rèn)為最合理的放電阻止形RCD緩沖電路的基本設(shè)計(jì)方法說明如下： 是否適用的研討圖9 示出了使用放電阻止形RCD緩沖電路時(shí)關(guān)斷時(shí)的動作軌跡圖   

8、; 放電阻止形RCD緩沖器，當(dāng)IGBT的C-E間電壓超過直流電源電壓時(shí)開始工作，其理想的動作軌跡用點(diǎn)線來表示。    但是，在實(shí)際裝置中由於緩沖電路接線電感及緩沖二極管過渡正向電壓下降的影響，關(guān)斷時(shí)尖峰電壓的存在，變成了向右擴(kuò)張的，如實(shí)線所示。    放電阻止形RCD緩沖電路是否時(shí)適用取決於關(guān)斷時(shí)動作軌述能否收拔在IGBT的RBSOA內(nèi)而定另外。關(guān)斷時(shí)的峰值電壓可用下式求出：式中     Ed：VFM：  Ls：dlc/dt： 直流電源電壓緩沖二極管過渡止向電壓降緩沖電路的接線電感關(guān)斷

9、時(shí)的集電極電流變化率的最大值    緩沖二極管的一般過度正向電壓降的參考值通常如下 600V級：20-30V1200V級：4060V緩沖電容（Cs)容量值的計(jì)示方法緩沖電容所必須的容量值可用下式求出：式中     L：Io：VCEF：Ed： 主電路的分布電感IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流緩沖電容電壓的最終值直流電源電壓    VCEF必須控制在小於IGBT的C-E間耐壓值。此外，緩沖電容，要選用高頻特性優(yōu)良的電容（薄膜電容器等）。 緩沖電阻（Rs）值的求法   

10、; 對緩沖電阻性能要求是IGBT能進(jìn)行關(guān)斷動作，能將緩沖電容上積聚電荷通放電來進(jìn)行。IGBT關(guān)斷時(shí)，以放電90%的積聚電荷為條件，由下式可求出緩沖電阻值。    如果將緩沖電阻值設(shè)定得過低，緩沖電路沖電流可能振蕩，由於IGBT接通時(shí)集電極電流峰值增加、在上式蕩是的范圍內(nèi)，請?jiān)O(shè)定在最高值為佳。緩沖電阻產(chǎn)生的損耗P(Rs)和阻值系可由下式求得。 緩沖二極管的選定    緩沖二極管過渡正向電壓降減小是關(guān)斷時(shí)尖峰電壓產(chǎn)生的主要原因之一。    另外，緩沖二極管逆向恢復(fù)時(shí)間變長，在高頻開關(guān)工作時(shí)，使緩沖二極管產(chǎn)生的

11、損耗變大“，緩沖二極管的逆向恢復(fù)動作變得困難，在緩沖二極管逆向恢復(fù)動作時(shí)，IGBT的C-E間電壓急劇增大且產(chǎn)生振蕩。對于緩沖二極管，要選擇過度正向電壓低，逆向恢復(fù)時(shí)間短，逆向恢復(fù)特性較軟（容易）的為佳。 跟隨電路接線上的注意事項(xiàng)    由于緩沖電路的接線是導(dǎo)致尖峰電壓產(chǎn)生的主要原因，所以，電路器件的配置，盡量使分布電感降低為好。 在帶變壓器的開關(guān)電源拓?fù)渲校_關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電壓和電流的重疊引起的損耗是開關(guān)電源損耗的主要部分，同時(shí)，由于電路中存在雜散電感和雜散電容，在功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電路中也會出現(xiàn)過電壓并且產(chǎn)生振蕩。如果尖峰電壓過高，就會損壞開關(guān)管。同時(shí)，振蕩的存在

12、也會使輸出紋波增大。為了降低關(guān)斷損耗和尖峰電壓，需要在開關(guān)管兩端并聯(lián)緩沖電路以改善電路的性能。緩沖電路的主要作用有：一是減少導(dǎo)通或關(guān)斷損耗；二是降低電壓或電流尖峰；三是降低dVdt或dIdt。由于MOSFET管的電流下降速度很快，所以它的關(guān)斷損耗很小。雖然MOSFET管依然使用關(guān)斷緩沖電路，但它的作用不是減少關(guān)斷損耗，而是降低變壓器漏感尖峰電壓。本文主要針對MOSFET管的關(guān)斷緩沖電路來進(jìn)行討論。1 RC緩沖電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)RC緩沖電路時(shí)，必須熟悉主電路所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況。圖l所示是由RC組成的正激變換器的緩沖電路。圖中，當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，集電極電壓開始上升到2Vdc，而電容C限制了集電極電壓的上升

13、速度，同時(shí)減小了上升電壓和下降電流的重疊，從而減低了開關(guān)管Q的損耗。而在下次開關(guān)關(guān)斷之前，C必須將已經(jīng)充滿的電壓2Vdc放完，放電路徑為C、Q、R。假設(shè)開關(guān)管沒帶緩沖電路，圖1所示的正激變換器的復(fù)位繞組和初級繞組匝數(shù)相同。這樣，當(dāng)Q關(guān)斷瞬間，儲存在勵(lì)磁電感和漏感中的能量釋放，初級繞組兩端電壓極性反向，正激變換器的開關(guān)管集電極電壓迅速上升到2Vdc。同時(shí)，勵(lì)磁電流經(jīng)二極管D流向復(fù)位繞組，最后減小到零，此時(shí)Q兩端電壓下降到Vdc。圖2所示是開關(guān)管集電極電流和電壓波形?？梢?，開關(guān)管不帶緩沖電路時(shí)，在Q關(guān)斷時(shí)，其兩端的漏感電壓尖峰很大，產(chǎn)生的關(guān)斷損耗也很大，嚴(yán)重時(shí)很可能會燒壞開關(guān)管，因此，必須給開關(guān)管

14、加上緩沖電路。當(dāng)開關(guān)管帶緩沖電路時(shí)，其集電極電壓和電流波形如圖3所示(以正激變換器為例)。在圖1中，當(dāng)Q開始關(guān)斷時(shí)，其電流開始下降，而變壓器漏感會阻止這個(gè)電流的減小。一部分電流將繼續(xù)通過將要關(guān)斷的開關(guān)管，另一部分則經(jīng)RC緩沖電路并對電容C充電，電阻R的大小與充電電流有關(guān)。Ic的一部分流進(jìn)電容C，可減緩集電極電壓的上升。通過選取足夠大的C，可以減少集電極的上升電壓與下降電流的重疊部分，從而顯著降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗，同時(shí)還可以抑制集電極漏感尖峰電壓。圖3中的A-C階段為開關(guān)管關(guān)斷階段，C-D為開關(guān)管導(dǎo)通階段。在開關(guān)管關(guān)斷前，電容C兩端電壓為零。在關(guān)斷時(shí)刻(B時(shí)刻)，C會減緩集電極電壓的上升速度，但

15、同時(shí)也被充電到2Vdc(在忽略該時(shí)刻的漏感尖峰電壓的情況下)。電容C的大小不僅影響集電極電壓的上升速度，而且決定了電阻R上的能量損耗。在Q關(guān)斷瞬間，C上的電壓為2Vdc，它儲存的能量為05C(2Vdc)2焦耳。如果該能量全部消耗在R上，則每周期內(nèi)消耗在R上的能量為：對限制集電極上升電壓來說，C應(yīng)該越大越好；但從系統(tǒng)效率出發(fā)，C越大，損耗越大，效率越低。因此，必須選擇合適的C，使其既能達(dá)到一定的減緩集電極上升電壓速度的作用，又不至于使系統(tǒng)損耗過大而使效率過低。在圖3中，由于在下一個(gè)關(guān)斷開始時(shí)刻(D時(shí)刻)必須保證C兩端沒有電壓，所以，在B時(shí)刻到D時(shí)刻之間的某時(shí)間段內(nèi)，C必須放電。實(shí)際上，電容C在C

16、-D這段時(shí)間內(nèi)，也可以通過電阻R經(jīng)Q和R構(gòu)成的放電回路進(jìn)行放電。因此，在選擇了一個(gè)足夠大的C后，R應(yīng)使C在最小導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)放電至所充電荷的5以下，這樣則有：式(1)表明R上的能量損耗是和C成正比的，因而必須選擇合適的C，這樣，如何選擇C就成了設(shè)計(jì)RC緩沖電路的關(guān)鍵，下面介紹一種比較實(shí)用的選擇電容C的方法。事實(shí)上，當(dāng)Q開始關(guān)斷時(shí)，假設(shè)最初的峰值電流Ip的一半流過C，另一半仍然流過逐漸關(guān)斷的Q集電極，同時(shí)假設(shè)變壓器中的漏感保持總電流仍然為Ip。那么，通過選擇合適的電容C，以使開關(guān)管集電極電壓在時(shí)間tf內(nèi)上升到2Vdc(其中tf為集電極電流從初始值下降到零的時(shí)間，可以從開關(guān)管數(shù)據(jù)手冊上查詢)，則

17、有：因此，從式(1)和式(3)便能計(jì)算出電容C的大小。在確定了C后，而最小導(dǎo)通時(shí)間已知，這樣，通過式(2)就可以得到電阻R的大小。2 帶RC緩沖的正激變換器主電路設(shè)計(jì)21 電路設(shè)計(jì)圖4所示是一個(gè)帶有RC緩沖電路的正激變換器主電路。該主電路參數(shù)為：Np=Nr=43匝。Ns=32匝，開關(guān)頻率f=70 kHz，輸入電壓范圍為直流4896 V，輸出為直流12 V和直流05 A。開關(guān)管Q為MOSFET，型號為IRF830，其tf一般為30 ns。Dl、D2、D3為快恢復(fù)二極管，其tf很小(通常tf=30 ns)。本設(shè)計(jì)的輸出功率P0=V0I0=6 W，假設(shè)變換器的效率為80，每一路RC緩沖電路所損耗的功

18、率占輸出功率的1。這里取Vdc=48 V。22 實(shí)驗(yàn)分析下面分兩種情況對該設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，一是初級繞組有緩沖，次級無緩沖；二是初級無緩沖，次級有緩沖。(1)初級繞組有緩沖，次級無緩沖該實(shí)驗(yàn)測量的是開關(guān)管Q兩端的漏源電壓，實(shí)驗(yàn)分以下兩種情況：第一種情況是RS1=15 k，CS1不定，輸入直流電壓Vdc為48 V。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：在RS1不變的情況下，CSl越大，雖然開關(guān)管Q的漏感尖峰電壓無明顯降低，但它的漏源電壓變得平緩了，這說明在初級開關(guān)管的RC緩沖電路中，CSl應(yīng)該選擇比較小的值。第二種情況是CSl=33 pF，RS1不定，輸入直流電壓Vdc為48 V。其結(jié)果是：當(dāng)CS1不變時(shí)，RS1越大，開關(guān)管Q的漏感尖峰電壓越大(增幅比較小)?？梢姡琑C緩沖電路中，參數(shù)R的大小對降低漏感尖峰有很大的影響。在選定一個(gè)合適的C，同時(shí)滿足式(2)時(shí)，R應(yīng)該選擇比較小的值。(2)次級繞組有緩沖，初級無緩沖本實(shí)驗(yàn)以D2、D3的陰極作為公共端來測量快恢復(fù)二極管的端