缓冲电路的基本结构_缓冲电路工作原理

　　缓冲电路的概念

　　缓冲电路（SnubberCircuit）又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的应用技术中，起着更重要的作用。

　　缓冲电路的基本结构

　　缓冲电路的功能有抑制和吸收两个方面，因此图1（a）是这种电路的基本结构，串联的LS用于抑制di/dt的过量，并联的CS用于吸收器件上的过电压，即器件在关断时CS通过快速二极管DS充电，吸收器件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加dv/dt。当器件开通时CS上的能量经RS泄放。对于工作频率较高、容量较小的装置，为了减小损耗，图1（a）中的RLCD电路，可以简化为图1（b）的形式。装置由RCD网络构成的缓冲电路普遍用于GTR、GTO、功率MOSFET及IGBT等电力电子器件的保护。

　　图1

　　图2所示的几种缓冲电路是上述基本RCD缓冲电路的简化或演变。如图所示，它们既可用于逆变器中IGBT模块的保护，也适用于其他电力电子器件的缓冲保护，但其性能有所不同。

　　图2

　　图2（a）是最简单的单电容电路，适用于小容量的IGBT模块或其他容量较小的器件，但由于电路中无阻尼元件，容易产生振荡，为此CS中可串入RS加以抑制，这种RC缓冲电路在晶闸管的保护中已用得很普遍。

　　图2（b）是把RCD缓冲电路用于由两只IGBT组成桥臂的模块上，此电路比较简单，但吸收功能较单独使用RCD时略差，多用于小容量元件的逆变器桥臂上。有时还可以把（a）、（b）两种缓冲电路并联使用以增强缓冲吸收的功能。

　　图2（c）是RS交叉连接的缓冲电路，当器件关断时，CS经DS充电，抑制dv/dt；当器件开通时，CS经电源和RS放电，同时有部分能量反馈回电源，这种电路对大容量的器件，例如400A以上的IGBT模块比较适合。

　　图2（d）是大功率GTO逆变桥臂上的非对称RLCD缓冲电路。图中限流电感LS经过DS和RS释放磁场能量。GTO关断时，CS经DS吸收能量并经RS把部分能量反馈到电网上去，因此损耗较小，适用于大容量的GTO逆变器。其中CS具有吸收电能和电压箝位双重功能，且效率较高。

　　图2（e）是三角形吸收电路，其特点是：（1）三只电容器之间几乎不需要连接线，所以寄生电感极小。（2）在电力电子器件工作过程中每只电容器都参与工作，电容器利用率高。（3）电路损耗较小。

　　缓冲电路引线中的杂散电感必须限制到最小，以防止电力电子器件在关断时出现电压尖峰，并消除杂散电感与缓冲电路中CS构成谐振回路所产生的振荡。所以缓冲电路中的R、C、D等元件也应力求采用无感元件。

　　缓冲电路的工作原理

　　缓冲电路的基本工作原理是利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。图示以GTO为例的一种简单的缓冲电路。其中L与GTO串联，以抑制GTO导通时的电流上升率dI/dt，电容C和二极管D组成关断吸收电路，抑制当GTO关断时端电压的上升率dV/dt，其中电阻R为电容C提供了放电通路。缓冲电路有多种形式，以适用于不同的器件和不同的电路。

　　缓冲电路的工作波形

　　吸收电路一般由电阻、电容和二极管组成，常和开关管或二极管（包括高频整流二极管）并接，使开关管上电压的应力减小、EMI减少，使负载线的轨迹不超过安全工作区，不发生二次击穿。下面仍以反激转换器为例进行介绍。

　　当图1所示的控制脉冲Ug在t=t1为低电压时开关管V趋于关断，Ic下降，由于Lp、LLT的作用，集电极电压增加，形成Isnb吸收电路电流，以维持变压器初级绕组电流Ip不变（Ip=IC十ISNb）.ISNb流过D1对C1充电。

　　图一

　　如果开关管V关断的很快（最好条件），集电极电压的变化率dUC/d/由下式决定：

　　随着开关管V的关断，线性增加的集电极电压Uce在t=t3时达到2倍Ui的电压。短时间之后（延时决定于初级至次级漏电感的大小），当次级绕组电压上升到Ucz加上D2的压降时，形成圆弧形上升的电流Iso在这时反激电流将从初级至次级电路换流，换流过程的速率由次级漏电感及外部电感电容来决定。

　　图1中示出了初、次级换流过程的波形。在t=t2，Ip=0时，开关管V的Uce=Uceo的70%为好。此后在Isnb充电下，Uce继续斜线上升，当上升到2×Ui时，极性反转的P4电压耦合到△，足以使D3导通，因此在t=t3时出现IFB，抑制了Uce的继续上升。在IFB=0时，次级达到I‘S电流稳压值。

　　如果要实现上述理想情况，需要仔细地选择参数和实验调整。图2示出了无吸收环节情况。图3示出了有吸收环节的情况。

　　图二

　　值得指出的是，如果开关管V装有散热器时，散热器是集电极（或是隔电传热式）。在开关管V的集电极与电源公共线之间存在电容时，它为集电极电流提供了工条附加的通路。它也是引起集电极电流存在的事实。不过，它与安装有关，与开关管本身存在的Miller电流效应不能混淆。另外，它的数值也比较大一些，它的存在对减小dUcd/dt是有好处的。

　　缓冲电路的作用与基本类型

　　电力电子器件的缓冲电路（snubbercircuit）又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的应用技术中起着重要的作用。

　　晶闸管开通时，为了防止过大的电流上升率而烧坏器件，往往在主电路中串入一个扼流电感，以限制过大的di/dt，串联电感及其配件组成了开通缓冲电路，或称串联缓冲电路。晶闸管关断时，电源|稳压器电压突加在管子上，为了抑制瞬时过电压和过大的电压上升率，以防止晶闸管内部流过过大的结电容电流而误触发，需要在晶闸管的两端并联一个RC网络，构成关断缓冲电路，或称并联缓冲电路。

　　GTR、GTO等全控型自关断器件在实际使用中都必须配用开通和关断缓冲电路；但其作用与晶闸管的缓冲电路有所不同，电路结构也有差别。主要原因是全控型器件的工作频率要比晶闸管高得多，因此开通与关断损耗是影响这种开关器件正常运行的重要因素之一。例如，GTR在动态开关过程中易产生二次击穿的现象，这种现象又与开关损耗直接相关。所以减少全控器件的开关损耗至关重要，缓冲电路的主要作用正是如此，也就是说GTR和功率MOSFET用缓冲电路抑制di/dt和du/dt，主要是为了改变器件的开关轨迹，使开关损耗减少，进而使器件可靠地运行。

　　图1（a）是没有缓冲电路时GTR开关过程中集电极电压uCE和集电极电流iC的波形，由图可见开通和关断过程中都存在uCE和iC同时达到最大值的时刻；因此出现了瞬时的最大开关损耗功率Pon和Poff，从而危及器件的安全。所以，应采用开通和关断缓冲电路，抑制开通时的di/dt，降低关断时的du/dt，使uCE和iC的最大值不会同时出现。

　　图1（b）是GTR开关过程中的uCE和iC的轨迹，其中轨迹1和2是没有缓冲电路的情况，开通时uCE由UCC（电源电压）经矩形轨迹降到0，相应地iC由0升到ICM；关断时iC由ICM经矩形轨迹降到0，相应地uCE由0升高到UCC。不但集电极电压和电流的最大值同时出现，而且电压和电流都有超调现象，这种情况下瞬时功耗很大，极易产生局部热点，导致GTR的二次击穿而损坏。加上缓冲电路后，uCE和iC的开通与关断轨迹分别如3和4所示，由图可见，其轨迹不再是矩形，避免了两者同时出现最大值的情况，大大降低了开关损耗，并且最大程度地利用于GTR的电气性能。

　　GTR的开通缓冲电路用来限制导通时的di/dt，以免发生元件的过热点，而且它在GTR逆变器中还起着抑制贯穿短路电流的峰值及其di/dt的作用。GTO的关断缓冲电路不仅为限制GTO关断时再加电压的du/dt及过电压，而且对降低GTO的关断损耗，使GTO发挥应有的关断能力，充分发挥它的负荷能力起重要作用。

　　IGBT的缓冲电路功能更侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30~50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的LdiC/dt，从而产生过电压，危及IGBT的安全。图2（a）和图2（b）是PWM逆变器中IGBT在关断和开通中的uCE和iC波形。由图2（a）可见，在iC下降过程中IGBT上出现了过电压，其值为电源电压UCC和LdiC/dt两者的叠加。

　　图2（b）为开通时的uCE和iC波形，图中增长极快的iC出现了过电流尖峰iCP，当iCP回落到稳定值时，过大的电流下降率同样会引起元件上的过电压而须加以吸收（如图所示）。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使iC出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。

　　综上所述，缓冲电路对于工作频率高的自关断器件，通过限压、限流、抑制di/dt和du/dt，把开关损耗从器件内部转移到缓冲电路中去，然后再消耗到缓冲电路的电阻上，或者由缓冲电路设法再反馈到电源中去。此缓冲电路可分为两在类，前一种是能耗型缓冲电路，后一种是反馈型缓冲电路。能耗型缓冲电路简单，在电力电子器件的容量不太大，工作频率也不太高的场合下，这种电路应用很广泛。