缓冲电路的作用

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电力电子器件的缓冲电路(Snubber Circuit)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。
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,所串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,因此在晶闸管两端并联一个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运行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,因此开通和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dv/dt,主要是为了改变器件的开关轨迹,使开关损耗减少,进而使器件可靠运行。
图1(a)是没有缓冲电路时GTR开关过程中集电极电压vCE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vCE 和 iC同时达到最大值的时刻,因此出现了最大的开关损耗功率pon和poff,从而危及器件的安全。所以应采用开关和关断缓冲电路,抑制开通时的di/dt,降低关断时的dv/dt,使vCE 和 iC的最大值不会同时出现。

缓冲电路的作用
图1
图1(b)是GTR开关过程中的vCE 和 iC的轨迹,其中轨迹1和2是没有缓冲电路时的情况,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,vCE 和 iC的开关与关断轨迹分别如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机会,大大降低了开关损耗,并且最大程度地利用了GTR的电气性能。
IGBT的缓冲电路功能更侧重于开关过程中过电压的吸收和抑制,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较大的Ldi/dt,从而产生过电压而危及IGBT的安全。图2(a)和(b)是PWM逆变器中IGBT在关断和开通中的vCE 和 iC波形,由图可见,在iC下降过程中IGBT上出现了过电压,其值为电源电压vCC和LdiC/dt两者的叠加。

缓冲电路的作用
图2
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、dv/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。因此缓冲电路可分为两大类,前一种是能耗型缓冲电路,后一种是反馈型缓冲电路。能耗型电路简单,在电力电子器件的容量不太大,工作频率不太高的场合下,这种电路应用很广泛。

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