10. 功率晶体管的缓冲电路

1第十章功率晶体管的缓冲电路南航电力电子课程组2“缓冲”的含义为什么要“缓冲”“缓冲”的原理“缓冲”的方法（实现电路）负面作用第十章功率晶体管的缓冲电路3影响电力电子器件/装置可靠性的因素第一节概述热应力电应力导通损耗开/关损耗电压尖峰电流尖峰di/dt,du/dt(开关瞬间)-损耗4带缓冲的关断过程uce0ie0P=icuce无关断缓冲uce0ie0P=icuce有关断缓冲关断过程关断缓冲电路过程分析5有开通缓冲无开通缓冲uce0ie0P=icuce导通缓冲电路过程分析带缓冲的开通过程开通过程6缓冲电路的作用改善开/关过程电压电流变化曲线,开通/关断损耗从而改善开关管的di/dt,du/dt电流/电压尖锋提高变换器的可靠性7电流不连续时缓冲电路电流连续时关断缓冲电路8电感电流不连续时功率管的缓冲电路以继电器电路为例，研究缓冲的意义和方法继电器驱动电路L-R为继电器线圈等效电路J9J（1）S闭合时，QoffiL＝0，J不动作iL电路工作原理：稳态过程（2）S断开时，QoniL≈Ec/R，J动作电路稳态过程分析101）开通过程:Q饱和导通，ic按指数上升，直到Ec/R电流从零开始－电感电流断续电路工作原理：开关瞬态过程开关瞬态过程分析JiL11开关瞬态过程分析（2）关断过程:ic下降L感应高电势(因为di/dt大)与Ec一起加在Q上直至击穿电压U(BR)ceo当ic降到0时，Uce=EcJ12开关管Q的负载线根据Q的ic和uce时域波形作出负载线：负载线：分析缓冲原理的有效手段JiL13要解决的问题:改善关断负载线根据Q的ic和uce时域波形作出负载线：直流负载线:A-C开通负载线:A-B-C在低损耗区关断负载线:C-D-E-A在高损耗区,甚至超出安全区开关管Q的负载线分析14理想开关波形和理想开关负载线开通过程uceict0icuce0EcIc关断过程icucet0uce0EcIcic15缓冲电路控制目标：使电流电压波形尽量没有交叠或者使负载线尽量靠近坐标轴缓冲电路控制目标uceict0icuce0EcIcicucet0uce0EcIcic16JQ关断时，iL通过D1泄放uce电压箝位至Ec第一种关断缓冲电路：二极管缓冲iL=ic+iD1D1导通，则uce＝EcD1缓冲电路设计（一）17Q的电流电压波形分析缓冲电路分析（一）18关断负载线负载线分析缓冲电路分析（一）19Q关断负载线对比降低了电压应力但是仍掠过高损耗区缓冲电路分析（一）20第二种关断缓冲电路：电容缓冲在继电器两端并联电容或在Ｑ管两端并联电容缓冲电路设计（二）21并电容法关断过程分析：电感电流由电容电流续流假设C足够大，电感电流下降时电容电压变化不大由于电容电压不能突变，所以保证了Q上电压缓慢变化，关断负载线得到很大优化缓冲电路分析（二）22并电容法开通过程分析：初始态：电容电压为0，Q上电压为Ec开通瞬时Q管电流除了负载电流还有电容充电电流由于电容电压上升慢，且电流的幅值变大，所以开通负载曲线得到恶化缓冲电路分析（二）23并电容法负载线程分析：关断负载线C-F-A进入低损耗区，但开通负载线A-B'-C'-C进入过损耗区缓冲电路分析（二）24第三种关断缓冲电路：RCD吸收（再改进）典型关断负载线整形电路:R1C1D1缓冲电路设计（三）251）Q关断瞬间：关断前(Q导通期间)uc1已充至Ec关断时,iL通过D1-C1泄放但uc不能突变uce从0慢慢上升＋2）Q关断稳态：C1放电，电容上电压为零缓冲电路分析（三）关断过程分析：263）Q导通期间：C1通过R1充电至Ec，回至关断时初态＋2）Q开通过程：D1截止，C1充电，使ie增加一项ic1缓冲电路分析（三）开通过程分析：27Q的电流电压波形（带R1C1D1）缓冲电路分析（三）28负载线分析（带R1C1D1）缓冲电路分析（三）关断负载线29仅有DRCD将RCD缓冲与二极管缓冲比较首先比较两者的关断负载线二极管缓冲损耗高，RCD关断损耗低缓冲电路比较30比较两者的开通负载线二极管缓冲不影响开通特性RCD缓冲由于在开通时由于RC充电略增损耗缓冲电路比较RCD仅D31RCD关断负载线整形（关断缓冲）电路的作用：1）限制uce2）限制uce上升速度，减少ic、uce波形重叠，从而减小Q开关损耗电感电流断续时关断缓冲作用32RCD关断缓冲通过电容延缓Q管两端电压变化第一种是限制继电器的两端电压变化改变电容位置，同样可以限制Q管电压变化RCD缓冲电路的另一种电路33电感电流断续时：分析开通和关断过程：波形，负载线解决方案：关断缓冲电路RCDRCD缓冲电路的问题：1）开通附加电流应力，2）缓冲能量损耗小结：关断缓冲电路的分析方法和过程34电流不连续时缓冲电路电流连续时缓冲电路关断缓冲电路35电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路一、工作波形分析开通过程关断过程开通/关断负载线问题ie+iD=iL=IL图10-5361.开通过程Uiuceie,iD0t1t2t3t4ie+iD=iLQ开始导通,ie上升、iD下降iD反向恢复后关断电感电流连续时开通过程分析图10-5注意：二极管电流没有降到零，Q管电压维持Ui372.关断过程Uiuceie,iD0t5t6t7t8存储时间:Q仍饱和导通Q退饱和,uce开始上升D导通,uce＝Ui；id上升、ie下降ie+iD=iL图10-5电感电流连续时关断过程分析注意：Q管电压上升到Ui时，二极管才有电流38uceie0t1t2t3t41.开通过程开通负载线分析392。关断过程uceie,0关断负载线分析403.开通/关断负载线开通----A-B-C关断----D-E-A都经过过损耗区C-D段？思考开通关断负载线分析图10-541二、关断负载线整形电路：关断缓冲电路设计42原理：1)Q导通期间uce＝0，故uC1＝02)Q关断时，C1使uce缓慢上升3)Q再次导通时,C1通过R1、Q放电至uce＝0Q：on关断缓冲电路工作原理onoffOffon为什么此时D不续流？43uceie0P=iuce无关断缓冲有关断缓冲关断缓冲波形：Ui关断缓冲电路工作原理44参数设计:C1，R11.电容C1设计：假设Q的ic是线性变化C1大uce上升慢,ic下降到0时uce尚未升到UiC1小uce上升快,ic下降到0之前uce已经升至Ui正常电容ic下降到0时uce恰好上升到Ui关断缓冲电路参数设计50另一种RCD缓冲电路设计关断时在Q两端等效并联电容延缓电压变化同时将等效电容放于D两端延缓Q管关断电压变化衍生出第二种RCD缓冲电路特别注意二极管方向51在关断前：Q稳态导通，D截止，C1上电荷为Ui关断瞬间：Q上电流下降，D1会导通，C1上电流会上升弥补Q上电流减小电容电压逐渐变化，减小了Q管的关断损耗当C1上电压减小到零时，D方会导通续流＋另一种RCD缓冲电路分析关断过程分析为什么此时D不续流？52导通前：Q关断，D稳态续流，C1上电荷为零导通瞬间：Q上电流逐渐上升，除了正常的电感电流分量外，还有R1C1的电容充电电流另一种RCD缓冲电路分析＋开通过程分析53电流不连续时缓冲电路电流连续时缓冲电路关断缓冲电路开通缓冲电路54与”关断缓冲”对偶：目的－－限制dic/dt电路－－由串联电感原理－－1)dic/dt限制；2)L2储能释放开通缓冲电路设计_bQ2R2D2LL+UiDCRLUo+_55_bQ2R2D2LL+UiDCRLUo+_开通缓冲电路设计设计思路：继电器电路中，电感电流断续，其开通时负载线经过低损耗区，利用这一特性设计开通负载线整形电路功率管回路串联小电感缓冲开通时电流增加速度J56_bQ2R2D2LL+UiDCRLUo+_缓冲电路工作原理：Qoff:稳态时,iL2=0,iD=iL;Qoff-on:开关转换时iL不变,iL2=iL-iD。由于L2与Q的串联限制了ic的增长速度,起到了开通缓冲的作用开通缓冲电路设计57_bQ2R2D2LL+UiDCRLUo+_缓冲电路工作原理：Qon:开通稳态时，iC=iLQon-off:（Pg235）iL2经D2、R2流通，则增大了Q的关断电压。R2与能量消耗相关，与L2电流下降时间和附加电压大小有关。开通缓冲电路设计58_bQ2R2D2LL+UiDCRLUo+_关于开通缓冲电路★：（1）开通缓冲电路的本质——L与Q的串联限制了ic的增长速度，针对开通的电流来缓冲；由此区分关断和开通缓冲电路；（2）开通缓冲电路的不同画法——L、D、R组成，D、R串联与L并联，由Q关断时L电流的流向定D的方向。开通缓冲电路设计59电流不连续时缓冲电路电流连续时缓冲电路关断缓冲电路开通缓冲电路开通关断复合缓冲电路60开通与关断复合缓冲网络：电路同时具有开通缓冲和关断缓冲作用电路形式也是两种电路的复合开通与关断复合缓冲电路设计b1R1C1DQDCRL_Uo+_Ui+L_bQ2R2D2LL+UiDCRLUo+_b2R2D2LLUiDCRL+_Uo+_1C1D1R61开通与关断复合缓冲网络：关断之前（导通）：L2上电流为IiC1上电压为0，为关断缓冲提供基础OnOff：D1导通，C1充电电流，Q上电压缓慢上升开通与关断复合缓冲电路设计b2R2D2LLUiDCRL+_Uo+_1C1D1R62开通与关断复合缓冲网络：开通之前（关断稳态）：C1上电压为UiL2电流通过D2R2泄放，为开关缓冲提供基础OffOn：L2串联，Q管集电极电流缓慢上升开通与关断复合缓冲电路设计b2R2D2LLUiDCRL+_Uo+_1C1D1R63前面的开通和关断缓冲电路b1R1C1DQDCRL_Uo+_Ui+L_bQ2R2D2LL+UiDCRLUo+_)2810(212fCUPiOFR的功率)2910(212fLIPLONR的功率开关过程吸收的能量都消耗在电阻上，f高损耗大—有损缓冲电路，降低变换器效率要提高效率—（Pg235,倒第2段）应将缓冲电路中的能量返回电源或消耗在负载上——无损缓冲电路；既然无损当然不能有耗能元件R，通常利用LC谐振软化开关过程、返送能量缓冲电路损耗分析64电流不连续时缓冲电路电流连续时缓冲电路关断缓冲电路开通缓冲电路开通关断复合缓冲电路无损缓冲电路65一、关断缓冲电路UiDLCRL+_Uo+_1D1C2D2C3D1LAQ无损关断缓冲电路设计661）Q关断、D续流期间：uC1＝uC2＝0，iL1＝02）Q导通后，C1、C2通过L1谐振充电，至uC1＝uC2=Ui3）Q再次关断时，C1、C2分别通过D2、D1放电，uce＝Ui－uC1，从0开始缓慢上升无损关断缓冲电路分析UiDLCRL+_Uo+_1D1C2D2C3D1LAQ67Q导通后C1、C2通过L1谐振充电至uC1＝uC2=Ui并保持uc1Ui0无损关断缓冲电路分析UiDLCRL+_Uo+_1D1C2D2C3D1LAQ68原理：1）Q开通时，L2限制ic上升速度2）Q关断后，磁元件中的能量送回源端（反激）_bQL+UiDCRLUo+_*1L*2D无损开通缓冲电路设计69电流不连续时缓冲电路电流连续时缓冲电路反激电路的缓冲电路70以反激电路为例进行分析开通时有电感串联，开通损耗小关断时有较大电压尖峰，关断负载线效果不好无损关断缓冲电路分析71作用：1）关断负载线整形,减小损耗2）防止变压器漏感造成Q电压尖锋无损关断缓冲电路分析72工作原理：Q再次导通，L1C2谐振uC2反向当uC2Ui时D1通＋－Ui－＋UiUi＋－无损关断缓冲电路分析Q关断之前已有uC2＝UiQ关断时Ls能量转移到C2由于C2作用，uce缓慢上升最后uC2=Ui＋UoN1/N277缓冲的原理：开通缓冲－限制Q电流上升率；关断缓冲－限制Q的c－e电压上升率都是从而减小ie（ic）,uce波形交叉关断