第1章 緩沖與吸收電路

1、西南交通大學電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)Power Electronics緩沖吸收電路緩沖吸收電路西南交通大學學習目的學習目的1 1）由于電路的結(jié)構(gòu)，開關(guān)損耗總是存在的）由于電路的結(jié)構(gòu)，開關(guān)損耗總是存在的2 2）在高頻運行時開關(guān)損耗很大，必須重視）在高頻運行時開關(guān)損耗很大，必須重視3 3）減小開關(guān)損耗的基本方法）減小開關(guān)損耗的基本方法4 4）本章內(nèi)容是廣義的）本章內(nèi)容是廣義的5 5）是）是“軟開關(guān)軟開關(guān)”概念的基礎(chǔ)概念的基礎(chǔ)6 6）應(yīng)用的基礎(chǔ)）應(yīng)用的基礎(chǔ)內(nèi)容在參考教材中（元件、軟開關(guān)章節(jié)）內(nèi)容在參考教材中（元件、軟開關(guān)章節(jié)）西南交通大學緩沖電路作用：緩沖電路作用： 1 1）將電壓與電流的值保持在）

2、將電壓與電流的值保持在安全工作區(qū)安全工作區(qū)(SOA)(SOA)內(nèi)內(nèi) 2 2）確保器件的電壓）確保器件的電壓/ /電流變電流變化率足夠低，以保證化率足夠低，以保證 器件能正器件能正確和可靠工作確和可靠工作 3 3）限制器件在開關(guān)時的功）限制器件在開關(guān)時的功率損耗率損耗 4 4）消除二極管的正向電壓）消除二極管的正向電壓恢復(fù)與反向電流恢復(fù)的影響恢復(fù)與反向電流恢復(fù)的影響二次擊穿限制二次擊穿限制電流限制電流限制功率限制功率限制電壓限制電壓限制VI西南交通大學第第1 1節(jié)關(guān)斷緩沖電路節(jié)關(guān)斷緩沖電路1.11.1關(guān)斷損耗與關(guān)斷損耗與SOASOA假定相關(guān)的波形從初值到終值作直線變化假定相關(guān)的波形從初值到終值作

3、直線變化當三極管關(guān)斷時，其典型的電壓、電流波形如圖當三極管關(guān)斷時，其典型的電壓、電流波形如圖注意到只有當三極管兩端的電壓達到注意到只有當三極管兩端的電壓達到v vdcdc時，二極時，二極管管D D的反壓才能解除。而的反壓才能解除。而D D導(dǎo)通后，三極管導(dǎo)通后，三極管Q Q中的電中的電流才會改變。流才會改變。vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc + vQ 西南交通大學mJtIVdtiuwffdcdcqtqdissf52/0若開關(guān)頻率為若開關(guān)頻率為20KH20KH，則三極管中的能耗為，則三極管中的能耗為100W100W假定關(guān)斷時間假定關(guān)斷時間t tf f=0.5=0.5微秒，微秒，I Id

4、cdc=50=50安，安，V Vdcdc=400=400伏伏每個關(guān)斷過程的能量損失是：每個關(guān)斷過程的能量損失是：迭加在三極管的迭加在三極管的SOASOA中的關(guān)斷軌跡圖中的關(guān)斷軌跡圖 VI1231vQVdcIdciQ230tff西南交通大學1.2 1.2 基本的關(guān)斷緩沖電路基本的關(guān)斷緩沖電路DIdc+Vdc CQ由于電容由于電容C C提供了第三條路徑，提供了第三條路徑，Q Q關(guān)斷時關(guān)斷時V VQ Q變化引變化引起起i iQ Q下降。電容下降。電容C C控制著控制著V VQ Q從零上升到從零上升到V Vdcdc的上升的上升率。當率。當C C足夠大，足夠大，i iQ Q下降到零時，下降到零時，V V

5、Q Q只上升到只上升到V Vdcdc的很小的一部分。結(jié)果三極管的功耗比無的很小的一部分。結(jié)果三極管的功耗比無C C的情的情況要小得多。況要小得多。 vQiQ0tfIdcVdc西南交通大學加入電容后的關(guān)斷軌跡加入電容后的關(guān)斷軌跡關(guān)斷軌跡Vi123例例1 1：如何選擇電容的值：如何選擇電容的值上圖中的三極管電流在上圖中的三極管電流在t=tt=tf f時達時達到零，三極管兩端的電壓是到零，三極管兩端的電壓是 V Vdcdc在在t=0t=0與與t=tt=tf f 的過渡期間的過渡期間V VQ Q按平方規(guī)律變化。按平方規(guī)律變化。在關(guān)斷過程中三極管總的能量損耗是：在關(guān)斷過程中三極管總的能量損耗是： fdc

6、dcvtfdcfdcvtQQdisstIVdtttIttVdtivWff121)1 ()(020若選擇若選擇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，則則W Wdissdiss=0.12=0.12焦爾。焦爾。在在t=0t=0與與t=tt=tf f間電容器的電流是：間電容器的電流是：西南交通大學ttIiIifdcQdcCFVtItvtQCdcvfdcfQfcs1 . 02)()(電容所充的電荷是電容所充的電荷是t=0t=0與與t=tt=tf f間內(nèi)對電容電流的積分間內(nèi)對電容電流的積分電容值為：電容值為：1.3 1.3 實際的關(guān)斷緩沖

7、電路實際的關(guān)斷緩沖電路電阻電阻R RS S的作用是限制當三極管的作用是限制當三極管再次導(dǎo)通時電容的放電電流。再次導(dǎo)通時電容的放電電流。二極管二極管D DS S的作用是在關(guān)斷期旁的作用是在關(guān)斷期旁路電阻。路電阻。DSIdc+Vdc RS西南交通大學電阻必須足夠小，以保證在電阻必須足夠小，以保證在Q Q在可能的最小導(dǎo)通在可能的最小導(dǎo)通時間內(nèi)完全地放電；但同時它又應(yīng)足夠大以防止時間內(nèi)完全地放電；但同時它又應(yīng)足夠大以防止放電電流超過放電電流超過Q Q的額定值。的額定值。 第第2 2節(jié)導(dǎo)通緩沖電路節(jié)導(dǎo)通緩沖電路2.12.1導(dǎo)通損耗與導(dǎo)通損耗與SOASOA假定相關(guān)的波形從初值到終值作直線變化假定相關(guān)的波形

8、從初值到終值作直線變化當三極管導(dǎo)通時，其典型的電壓、電流波形如圖當三極管導(dǎo)通時，其典型的電壓、電流波形如圖vQVdcWissIdciQDIdc+Vdc + vQ 西南交通大學在在i iQ Q等于等于I Idcdc前，前，v vQ Q必定維持為必定維持為V Vdcdc 當負載電流完全由二極管換到三極管后，當負載電流完全由二極管換到三極管后，D D關(guān)斷關(guān)斷v vQ Q下降到零。下降到零。導(dǎo)通期間三極管的電壓與電流不為零，這將產(chǎn)導(dǎo)通期間三極管的電壓與電流不為零，這將產(chǎn)生開通損耗和使開通軌跡超出生開通損耗和使開通軌跡超出SOASOAVI321導(dǎo)通損耗計算與關(guān)斷損耗相同。將導(dǎo)通損耗計算與關(guān)斷損耗相同。將

9、t tf f用用t tr r來代替即可來代替即可 1vQVdcIdciQ23trf0西南交通大學2.2 基本的導(dǎo)通緩沖電路基本的導(dǎo)通緩沖電路 iQvQ0trVdcIdcDIdc+Vdc LSQ緩沖電感與三極管串聯(lián)緩沖電感與三極管串聯(lián)當加入電感后，導(dǎo)通期間由于電感當加入電感后，導(dǎo)通期間由于電感L LS S兩端產(chǎn)生自兩端產(chǎn)生自感電壓，三極管兩端電壓不再是感電壓，三極管兩端電壓不再是V Vdcdc。由于由于L LS S中電流的上升率正比于中電流的上升率正比于1/L1/LS S，選擇，選擇L LS S值可值可使使v vQ Q到零時三極管電流僅為到零時三極管電流僅為I Idcdc的一個分數(shù)值的一個分數(shù)值

10、 西南交通大學假定假定 =0.33=0.33，tr =0.1tr =0.1微秒，損耗為：微秒，損耗為：mJtIiVWrdcdcdiss06. 0121加入電感后的開通軌跡加入電感后的開通軌跡123iQvQ0trVdcIdc導(dǎo)通軌跡Vi123開通軌跡在開通軌跡在SOA內(nèi)內(nèi)西南交通大學2.3 實際的導(dǎo)通緩沖電路實際的導(dǎo)通緩沖電路 圖中，三極管關(guān)斷時電圖中，三極管關(guān)斷時電阻為電感電流提供了通阻為電感電流提供了通道；二極管的作用是避道；二極管的作用是避免在導(dǎo)通期電阻導(dǎo)電。免在導(dǎo)通期電阻導(dǎo)電。電阻電阻R應(yīng)在三極管的斷態(tài)應(yīng)在三極管的斷態(tài)使電感完全放電使電感完全放電DIdc+Vdc LQ例例2 2：確定開通

11、緩沖電路中各元件的值：確定開通緩沖電路中各元件的值L LS S可由關(guān)系可由關(guān)系 =L=LsIsI求出。求出。在在t=tt=tr r、i iQ Q= = I Idcdc時時 可由電感電壓的積分求出可由電感電壓的積分求出西南交通大學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節(jié)組合導(dǎo)通關(guān)斷緩沖電路節(jié)組合導(dǎo)通關(guān)斷緩沖電路要實現(xiàn)導(dǎo)通與關(guān)要實現(xiàn)導(dǎo)通與關(guān)斷緩沖兩個功能，斷緩沖兩個功能，可以將單獨的導(dǎo)可以將單獨的導(dǎo)通和關(guān)斷緩沖

12、電通和關(guān)斷緩沖電路組合起來路組合起來DIdc+Vdc LQ西南交通大學第一種方法：第一種方法：一個標準的由一個標準的由RCD關(guān)斷緩沖電路與一個導(dǎo)通緩沖關(guān)斷緩沖電路與一個導(dǎo)通緩沖電感電感L LS S聯(lián)接。聯(lián)接。）在導(dǎo)通時，除）在導(dǎo)通時，除CsCs的放電電流疊加到的放電電流疊加到i iQ Q中外中外, ,其其它與原電路完全相同。它與原電路完全相同。但實際上不需要這樣做。為簡化電路我們采用但實際上不需要這樣做。為簡化電路我們采用別的組合方法。別的組合方法。）關(guān)斷時，在）關(guān)斷時，在t t1 1時刻前，與前述相同。但在時刻前，與前述相同。但在t t1 1時時刻當刻當V Vc c=V=Vdcdc和和D D

13、R R導(dǎo)通后，導(dǎo)通后，L LS S仍流過電流仍流過電流i iL L=I=Idcdc，因此，因此s s和和L LS S會振蕩會振蕩1/41/4周期，直到周期，直到i iL L=0=0，D D關(guān)斷，關(guān)斷，R Rs s阻尼阻尼這個過渡過程。這個過渡過程。西南交通大學Vdc Idctf tt1vc(tf)= VdcVdc t1tt2vc(t1)= Vdc iL(t1)=IdcVdcIdc iQ0ttfvc(0)=0Idc+Vdc CSRLSQiQt2VQ0tfvQiLt1IdcVdcVdc t2tvc(t2)= Vdc+ vc iL(t2)=0西南交通大學Q Q兩端因振蕩產(chǎn)生的電壓增量為兩端因振蕩產(chǎn)生

14、的電壓增量為 ssdcQCLIv 例例3 3：計算組合緩沖電路產(chǎn)生的瞬變電壓：計算組合緩沖電路產(chǎn)生的瞬變電壓若若C CS S=0.066=0.066微法，微法，L LS S=1.2=1.2微亨。三極管的電壓峰微亨。三極管的電壓峰值值V VQ Q=V=Vdcdc + + V VC C=613=613伏伏該值相對該值相對V Vdcdc較大，說明這種組合緩沖電路可能會較大，說明這種組合緩沖電路可能會增大開關(guān)的電壓應(yīng)力。增大開關(guān)的電壓應(yīng)力。 第二種方法：第二種方法：一個標準的一個標準的RLDRLD開通緩沖電路與一個關(guān)斷緩沖電開通緩沖電路與一個關(guān)斷緩沖電容容C CS S聯(lián)接。聯(lián)接。西南交通大學）在關(guān)斷期

15、間，除了電阻兩端的放電電壓（緩）在關(guān)斷期間，除了電阻兩端的放電電壓（緩沖電感中的電流續(xù)流）對沖電感中的電流續(xù)流）對v vQ Q有影響外，有影響外，v vQ Q和和i iQ Q的的波形與原始關(guān)斷電路波形一樣。波形與原始關(guān)斷電路波形一樣。 ）在導(dǎo)通期間：）在導(dǎo)通期間：注意到電容注意到電容C CS S上有電壓初值上有電壓初值在在t tr r時刻時刻v vQ Q=0=0。以后。以后L LS S線性充電，在線性充電，在 t t1 1達到達到I Idcdc，此，此時，續(xù)流管時，續(xù)流管D DR R關(guān)斷。在這一段時間前，關(guān)斷。在這一段時間前，DsDs反偏壓反偏壓vC C=V=Vdcdc。當。當D DR R在在

16、t t1 1時刻關(guān)斷后，由于時刻關(guān)斷后，由于C CS S上的電壓的原上的電壓的原因，因，L LS S和和C CS S振蕩，直到振蕩，直到t t2 2時刻時刻v vC C=0=0，然后，然后 DsDs導(dǎo)通導(dǎo)通i iQ Q以以過阻尼方式穩(wěn)定在過阻尼方式穩(wěn)定在I Idcdc。三極管中的峰值電流發(fā)生在。三極管中的峰值電流發(fā)生在t t2 2時刻，并且等于時刻，并且等于SSdcdcQdcQLCVIiII西南交通大學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西南交通大學第第4 4節(jié)緩沖電路的另一種布置方法節(jié)緩沖電路的另一種布置方法關(guān)斷緩沖電路的作用關(guān)斷緩沖電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的集電極與地間的集電極與地間的電壓也就能控制的電壓也就能控制v vQ QIdc+Vdc CSRLS+Vdc Idc開通緩沖電路控制開關(guān)過開通緩沖電路控制開關(guān)過程中電流的上升率。這種程中電流的上升率。這種聯(lián)接對聯(lián)接對i iQ Q的控制效果與電的控制效果與電感串聯(lián)時的效果是一樣的感串聯(lián)時的效

18、果是一樣的 西南交通大學主電路有主電路有“寄生寄生”現(xiàn)象，特別是在高頻時。例如，現(xiàn)象，特別是在高頻時。例如，三極管、二極管和輸出電感相聯(lián)的節(jié)點對其它節(jié)三極管、二極管和輸出電感相聯(lián)的節(jié)點對其它節(jié)點有分布電容。有點有分布電容。有“關(guān)斷緩沖電容關(guān)斷緩沖電容”的作用。同的作用。同樣地，寄生電感具有導(dǎo)通緩沖電路的作用樣地，寄生電感具有導(dǎo)通緩沖電路的作用。第第5 5節(jié)節(jié)緩沖電路的損耗緩沖電路的損耗 緩沖電路中的儲能將被損耗掉。例如關(guān)斷緩沖緩沖電路中的儲能將被損耗掉。例如關(guān)斷緩沖電路中的電容在電路中的電容在Q Q開始關(guān)斷時儲能為零，關(guān)斷過程開始關(guān)斷時儲能為零，關(guān)斷過程結(jié)束時被充到結(jié)束時被充到V Vdcdc。

19、當。當Q Q再次導(dǎo)通再次導(dǎo)通C CS S中的儲能就在中的儲能就在R RS S上消耗掉。上消耗掉。5.15.1單獨的導(dǎo)通單獨的導(dǎo)通/ /關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路在開關(guān)關(guān)斷時刻，電容儲能：在開關(guān)關(guān)斷時刻，電容儲能：W= CW= CS SV Vdcdc2 2/2/2西南交通大學電容為電容為dcvfdcfQfcsVtItvtQC2)()(儲能為儲能為 mJVItWvdcdcfc25. 84式中，直流電壓電流值用與前邊相同的數(shù)據(jù)式中，直流電壓電流值用與前邊相同的數(shù)據(jù) 這比無緩沖電路時能耗大這比無緩沖電路時能耗大(t(tf f/2t/2tffff v v) )倍倍 v v越小，緩沖作用越大，但同時損耗越大

20、。越小，緩沖作用越大，但同時損耗越大。導(dǎo)通緩沖電路中電感的儲能導(dǎo)通緩沖電路中電感的儲能W= LW= LS SI Idcdc2 2/2/2。mJtVIWirdcdcL5 . 14dcirdcsItVL2損耗為：損耗為：電感為：電感為：西南交通大學同樣，損耗的能量比無緩沖電路時大。同樣，損耗的能量比無緩沖電路時大。5.25.2組合導(dǎo)通組合導(dǎo)通/ /關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷緩沖電路組合電路組合電路1 1的電容電壓最終超過電源電壓的值。所的電容電壓最終超過電源電壓的值。所以，電容峰值儲能為以，電容峰值儲能為 2)(21QdcscVVCW可重寫為可重寫為ssdcdcdcsdcscCLIVILVCW)(2122第

21、一項正好是當兩個緩沖電路不組合時損耗的能量第一項正好是當兩個緩沖電路不組合時損耗的能量最后一項由最后一項由C CS S中的儲能產(chǎn)生。這部分能量通過電容中的儲能產(chǎn)生。這部分能量通過電容的放電電流送回到輸入電源去的放電電流送回到輸入電源去。西南交通大學組合緩沖電源的實際能耗等于不組合時的能耗組合緩沖電源的實際能耗等于不組合時的能耗 5.35.3斷緩沖電路引起的損耗斷緩沖電路引起的損耗若將三極管及其并聯(lián)的關(guān)斷緩沖電路當作一個獨立若將三極管及其并聯(lián)的關(guān)斷緩沖電路當作一個獨立的開關(guān)，關(guān)斷過程中電壓電流和功率如圖所示的開關(guān)，關(guān)斷過程中電壓電流和功率如圖所示+Idcis0vsVdctftf/2v這個開關(guān)的特

22、點：元件兩端的電壓幾乎線性上升。這個開關(guān)的特點：元件兩端的電壓幾乎線性上升。到達到到達到V Vdcdc時二極管導(dǎo)通，負載電流續(xù)流。時二極管導(dǎo)通，負載電流續(xù)流。西南交通大學開關(guān)本身耗能與開關(guān)本身耗能與V Vdcdc、I Idcdc和關(guān)斷時間成正比。但有和關(guān)斷時間成正比。但有緩沖電路時，過渡過程的時間比無緩沖電路的情況緩沖電路時，過渡過程的時間比無緩沖電路的情況要大要大t tf f/(2t/(2tffff v v) )倍，所以它吸收的能量相應(yīng)地增大倍，所以它吸收的能量相應(yīng)地增大了。同理可得，由三極管和導(dǎo)通緩沖電路吸收的能了。同理可得，由三極管和導(dǎo)通緩沖電路吸收的能量將比無緩沖電路的三極管工作時吸收

23、的能量大量將比無緩沖電路的三極管工作時吸收的能量大t tr r/(2t/(2trfrf i i) )倍。倍。加入耗能緩沖電路降低了電路的總效率，但半導(dǎo)體加入耗能緩沖電路降低了電路的總效率，但半導(dǎo)體開關(guān)本身的損耗卻減小了。開關(guān)本身的損耗卻減小了。 第第6 6節(jié)節(jié)能量回收型緩沖電路能量回收型緩沖電路如果組合緩沖電路以如果組合緩沖電路以20KH20KH的頻率工作，其能耗為的頻率工作，其能耗為 WILVCfsWdcsdcspiss130)105 . 1105(1020)2121(33322西南交通大學iQvc1iLvc1它為變換器輸出的它為變換器輸出的2.6%2.6%，設(shè)占空比為，設(shè)占空比為0.250

24、.25。具有能量回收能力的關(guān)斷緩沖電路具有能量回收能力的關(guān)斷緩沖電路 當當Q Q關(guān)斷時，二個電容構(gòu)成兩個并聯(lián)關(guān)斷緩沖電路關(guān)斷時，二個電容構(gòu)成兩個并聯(lián)關(guān)斷緩沖電路電感不起作用，因為電感不起作用，因為D D3 3總是反偏?？偸欠雌?。 + D1D2D3DC1LC2vQ當當Q Q再次導(dǎo)通時，其電流在再次導(dǎo)通時，其電流在t tr r時刻上升到時刻上升到I Idcdc，在這，在這點點D D關(guān)斷，關(guān)斷，v vQ Q開始下降直到零。開始下降直到零。trIdc西南交通大學若若t tr r遠小于遠小于LCLC的振蕩周期，可認為這時電路由的振蕩周期，可認為這時電路由C C2 2、D D3 3、L L和和C C1 1

25、組成，并由幅值為組成，并由幅值為V Vdcdc的階躍電壓激勵。的階躍電壓激勵。電路的響應(yīng)是一個二階振蕩，該振蕩持續(xù)半個周電路的響應(yīng)是一個二階振蕩，該振蕩持續(xù)半個周期，直到期，直到iLiL企圖變負，企圖變負，D3D3關(guān)斷。關(guān)斷。若兩個電容相等，它們均被充電到若兩個電容相等，它們均被充電到V Vdcdc?？偟碾娙蓦妷菏强偟碾娙蓦妷菏荲 VC1C1+V+VC2C2=2V=2Vdcdc該緩沖電路不耗能。電容儲能來自電源；在關(guān)斷該緩沖電路不耗能。電容儲能來自電源；在關(guān)斷過程中儲能傳送給負載。過程中儲能傳送給負載。通常這種緩沖電路采用不等值電容器。較小值的通常這種緩沖電路采用不等值電容器。較小值的電容總會被充到電