第八章吸收电路

8.1吸收电路的功能与类型8.2二极管的吸收电路8.3晶闸管吸收电路8.4功率晶体管的吸收电路8.5关断吸收电路第八章吸收电路8.6过电压吸收电路8.7导通吸收电路小结8.8桥路结构的吸收电路8.9GTO吸收电路的考虑首页下页返回第八章吸收电路8.1吸收电路的功能与类型1.在器件关断瞬间，限制器件上的电压；2.在器件导通瞬间，限制流过器件中的电流；3.在器件导通时，通过不同器件组合限制电流上升率；电力电子器件的开关过程中，将施加在变流器中电力电子器件上的电气威胁降低到器件的额定值以内。吸收电路的功能下页上页返回第八章吸收电路4.在器件关断期间，或器件重新施加前向阻断电压时，能够限制电压上升率；5.在器件导通和关断时，能够改变器件在开关期间的瞬态电压、电流波形。吸收电路分类无极性串联R-C吸收电路。有极性的串联R-C吸收电路。有极性的L-R吸收电路。下页上页返回第八章吸收电路谐振型吸收电路开关威胁的缓解可以由许多经典的电力电子变流电路实现。吸收电路是附加在基本变流器上的辅助电路，根据应用情况的不同，吸收电路既可以单独使用，也可以组合起来使用。减轻电力电子器件在开关过程中的威胁。吸收电路的作用下页上页返回第八章吸收电路8.2二极管的吸收电路UdLsTiLsRsIoDfCsiDf-uDf+✽附加在二极管上的吸收电路是为了最大限度的减小过电压。端，以保护二极管免遭过电压的冲击。✽Rs–Cs串联电路通常跨接在二极管两下页上页返回第八章吸收电路Irr0tIoiDfsLudtdid二极管的反向恢复电流假定像图中所示那样逐渐关断，同时假定负载是感性的，在开关过程中，其电流保持恒定值I0不变。下页上页返回第八章吸收电路8.2.1容性吸收电路容性吸收电路在Rs–Cs串联吸收电路中令Rs=0时的吸收电路。二极管被强制关断阴极阳极UdTiLsRsIrrCs+uCs-二极管关断时的等效电路，假定图中的开关为理想开关。下页上页返回第八章吸收电路选取二极管在反向恢复电流的峰值时刻关断，并将此时刻在时间轴上定为t=0，此时的电感的初始电流为Irr，吸收电路中电容上的初始电压假设为零。二极管被强制关断阴极阳极UdTiLsRsIrrCs+uCs-下页上页返回第八章吸收电路UdLsTiLsCs+uCs-图中等效电路Rs=0，此时电容电压与二极管参考电压方向相反，根据电路原理的基本概念知，此时的电路方程为：t)sin(ωCLIt)cos(ωUU(t)u0sσrr0ddCssσ0CL1ω自然谐振角频率下页上页返回第八章吸收电路t)sin(ωCCt)cos(ω1U(t)u0sbase0dCs根据式2drrσbaseUILC，sσ0CL1ωt)sin(ωCLIt)cos(ωUU(t)u0sσrr0ddCs式可以表示为：uCs(t)的最大值为：sbasedCsCCUU11max.下页上页返回第八章吸收电路0tUdiLs(t)IrruCs(t)uCs.maxdUdtdiLs二极管反向最高电压与采用下式计算得到的最大值UCs.max一样，当Cs取较小值时，二极管的最高电压就会变得很大。sbasedCsCCUU11max.Cs=Cbase下的电容电压uCs(t)和电感电流iLs(t)的波形。下页上页返回第八章吸收电路8.2.2增加吸收电阻的效果二极管被强制关断阴极阳极UdTiLsRsIrrCs+uCs-二极管关断时刻为t=0，电感初始电流为Irr，电容的初始电压为零。二极管电压的微分方程为：dDfDfssDfsUudtduCRdtudCL22s下页上页返回第八章吸收电路将边界条件srrDfRIu)0(ssLRILURCIdtdusrrdssrrDf2)0(和dDfDfssDfsUudtduCRdtudCL22s代入到steICLUtuatrrsdDfcoscos)(得：式中，2021aasR2下页上页返回第八章吸收电路rrasrrdILRIUs2/tan1a1tan02/amtsteICLUtuatrrsdDfcoscos)(方程为最大值时所对应的时间为由duDf/dt=0求解得到：下页上页返回第八章吸收电路得二极管最高反向电压为：将t=tm代入到式steICLUtuatrrsdDfcoscos)(mbasesbasessbasedDftRRRRCCUUexp75.0112max.式中，2drrσbaseUILCrrdbaseIUR下页上页返回第八章吸收电路ttttiLsiDfiCsUduDfuCsRsiCs0引入电阻Rs，谐振的幅值得到有效抑制。二极管所承受的最高反向电压取决于Rs和Cs。当Cs确定时，最高电压随Rs变化。下页上页返回第八章吸收电路basesRR32.4121021dDfUUmaxdrrsUIRCs=Cbase保持Cs的值不变时，Rs的最优值为：Rs=Ropt=1.3Rbase该值可使二极管最高反向电压有效降低。当Cs=Cbase时，标准化后的二极管最高电压随Rs/Rbase比值变化的函数曲线。下页上页返回第八章吸收电路301201234basesCC221rrRILWsbaseoptsRR.dUUmax221rrtotILWs吸收电路在不同参数下的计算曲线，吸收电路的最优电阻和最高电压Umax作为Cs的函数形式给出。下页上页返回第八章吸收电路假定二极管是理想的单向导电器件，它没有电能损耗，则电阻Rs中所消耗的能量可以认为是电感和电容中所储存的能量：22dsrrRUC21IL21Ws301201234basesCC221rrRILWsbaseoptsRR.dUUmax221rrtotILWs下页上页返回第八章吸收电路301201234basesCC221rrRILWsbaseoptsRR.dUUmax221rrtotILWs当谐振电流达到零时，电感中的储能为零，电阻上的压降也为零，则储存在Cs中的能量为：221dsCUCW下页上页返回第八章吸收电路301201234basesCC221rrRILWsbaseoptsRR.dUUmax221rrtotILWs储存在电容中的能量等到二极管再次受到正向偏压而导通时得到释放。二极管在瞬间导通，耗散在二极管和吸收电阻中总能量为：basesrrdsrrCRtotCCILUCIL后，最高电压值的下降速度不高，但消耗的总能量却随着Cs的增加而线性增加。下页上页返回第八章吸收电路8.2.3吸收电路分析UdC0DRsN2Cs+u0-N1通过变压器耦合的单相二极管整流器工作在线性区域。变压器原边的开关断开时，二极管开始导通。下页上页返回第八章吸收电路u0LsDiLsRsiDCs+-12NNUd+-当变压器原边的开关闭合时，漏电感和二极管中的电流逐渐减小。下页上页返回第八章吸收电路RsCsLs+-iLs(0)=IrrDuCs(0)=0120NNUud选择二极管Irr快速返回的时刻作为时间轴的原点，由此所得到的等效电路如图所示。二极管被强制关断阴极阳极UdTiLsRsIrrCs+uCs-下页上页返回第八章吸收电路UdLsTiLsRsIoDfCsiDf-uDf+二极管被强制关断阴极阳极UdTiLsRsIrrCs+uCs-RsCsLs+-iLs(0)=IrrDuCs(0)=0120NNUud下页上页返回第八章吸收电路u0LoutputI0UdN2N1D2D1N2假设斩波器工作在连续电流模式，当变压器原边开关断开后，则输出电流的一半将从其中一个二极管流过。下页上页返回第八章吸收电路LoutputI0D2D1u0Rs2Rs1Cs2Cs1LsiLsLs+-+-12NNUd12NNUd在开关闭合时，如果正电压加在变压器原边，此时通过D1的电流将增加，流过D2的电流就会减少。下页上页返回第八章吸收电路Rs2Cs22Ls+-iLsD2uCs2(0)=0122NNUdiLs0Irr二极管D2断流瞬间的等效电路，每个二极管有一个吸收电路跨接在它的两端。RsCsLs+-iLs(0)=IrrDuCs(0)=0120NNUud下页上页返回第八章吸收电路UdcLfD4Us50HzCdcLfLsD3D2D1电网等效电路二极管D1反向恢复电流被切断后，D4对感性电流提供一个通道，二极管D1上的反向电压可被钳位在直流电容电压Udc的幅值。下页上页返回第八章吸收电路MOVD4Us50HziLsLsD1电网等效电路UdcCdcD3D2若单相全桥整流器处于连续导通状态，则滤波电感放在如图所示的直流侧。下页上页返回第八章吸收电路若交流侧的电抗Xs(=Ls)为5%，即表示为：105.0sssIUX式中，Us：电源电压的有效值Is1：负载电流基波分量的有效值dI3在120°的理想方波情况下，Is1=4Id/，根据实际波形的平滑性，可用近似。下页上页返回第八章吸收电路MOVD4Us50HziLsLsD1电网等效电路UdcCdcD3D2一个RC吸收电路可用来保护所有的二极管。二极管反向恢复电流的关断速度比50Hz交流输入电源us(t)的变化速度快，在二极管关断时us(t)的值可近似认为是恒定的直流量。下页上页返回第八章吸收电路8.3晶闸管吸收电路3652abcucn150HznPN4-+Lsidubnuan-+-+三相桥式整流器电路结构下页上页返回第八章吸收电路t0uanubnt1ubn-uan=uba2anbnuu设晶闸管T1和T2正处于导通状态，在触发角时触发T3，此时，电流id将由与a相相连的晶闸管T1向与b相相连的晶闸管T3换流，换流电压为uba。下页上页返回第八章吸收电路UdLsI0DLL4CdL3L2L5LL1当T3导通、T1关断，在t1时进入反向恢复阶段，其电流为iLs=Irr。换流期间，图中电压源用一个在t1时的uba(t1)值代替，在整个瞬态过程中，可认为该值为恒定值。下页上页返回第八章吸收电路线路阻抗为5%时，式变为：105.0sssIUXdLLcIULx305.0s式中，ULL：线电压的有效值Id：负载电流。T3导通T12LsPiLsiT1RsCs+-a电压源取线电压的最大值，此时相当于=90°。LLU2下页上页返回第八章吸收电路T3导通T12LsPiLsiT1RsCs+-a假定反向恢复时间trr=10ms，整个换流期间的换流电压是恒定的，通过晶闸管T1的di/dt为：LLU2sLUdtdiLL22下页上页返回第八章吸收电路并在图中的电流反向恢复期间的电流变化率di/dt用Di/DtIrr/trr表示，因此，将式dLLcIULx305.0s求得的Ls表达式带入到下式sLUdtdiLL22UdLsTiLsRsIoDfCsiDf-uDf+dLLdrrLLtrrIUItUdtdiIrr077.01.06下页上页返回第八章吸收电路dLLdrrLLtrrIUItUdtdiIrr077.01.06上式中，trr的值取10ms。当Cs的取值为Cbase时，最接近于系统的最优值。下页上页返回第八章吸收电路二极管被强制关断阴极阳极UdTiLsRsIrrCs+uCs-RsCsLs+-iLs(0)=IrrDuCs(0)=0120NNUud2drrσbaseUILC根据右两图和下式可以得到：2LLrrbaseUILCs下页