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1、 緩沖電路的作用與基本類(lèi)型 電力電子器件的緩沖電路(snubber circuit)又稱(chēng)吸收電路，它是電力電子器件的一種重要的保護電路，不僅用于半控型器件的保護，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的應用技術(shù)中起著(zhù)重要的作用。 晶閘管開(kāi)通時(shí)，為了防止過(guò)大的電流上升率而燒壞器件，往往在主電路中串入一個(gè)扼流電感，以限制過(guò)大的di/dt，串聯(lián)電感及其配件組成了開(kāi)通緩沖電路，或稱(chēng)串聯(lián)緩沖電路。晶閘管關(guān)斷時(shí)，電源|穩壓器電壓突加在管子上，為了抑制瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)大的電壓上升率，以防止晶閘管內部流過(guò)過(guò)大的結電容電流而誤觸發(fā)，需要在晶閘管的兩端并聯(lián)一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò )，構成關(guān)斷緩沖電路，或稱(chēng)并聯(lián)緩沖電路。 GTR、GTO等全控型自關(guān)斷器件在實(shí)際使用中都必須配用開(kāi)通和關(guān)斷緩沖電路；但其作用與晶閘管的緩沖電路有所不同，電路結構也有差別。主要原因是全控型器件的工作頻率要比晶閘管高得多，因此開(kāi)通與關(guān)斷損耗是影響這種開(kāi)關(guān)器件正常運行的重要因素之一。例如，GTR在動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程中易產(chǎn)生二次擊穿的現象，這種現象又與開(kāi)關(guān)損耗直接相關(guān)。所以減少全控器件的開(kāi)關(guān)損耗至關(guān)重要，緩沖電路的主要作用正是如此，也就是說(shuō)GTR和功率MOSFET用緩沖電路抑制di/dt和du/dt，主要是為了改變器件的開(kāi)關(guān)軌跡，使開(kāi)關(guān)損耗減少，進(jìn)而使器件可靠地運行。 圖1(a)是沒(méi)有緩沖電路時(shí)GTR開(kāi)關(guān)過(guò)程中集電極電壓uCE和集電極電流iC的波形，由圖可見(jiàn)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中都存在uCE和iC同時(shí)達到最大值的時(shí)刻；因此出現了瞬時(shí)的最大開(kāi)關(guān)損耗功率Pon和Poff，從而危及器件的安全。所以，應采用開(kāi)通和關(guān)斷緩沖電路，抑制開(kāi)通時(shí)的di/dt，降低關(guān)斷時(shí)的du/dt，使uCE和iC的最大值不會(huì )同時(shí)出現。 圖1(b)是GTR開(kāi)關(guān)過(guò)程中的uCE和iC的軌跡，其中軌跡1和2是沒(méi)有緩沖電路的情況，開(kāi)通時(shí)uCE由UCC（電源電壓）經(jīng)矩形軌跡降到0，相應地iC由0升到ICM；關(guān)斷時(shí)iC由ICM經(jīng)矩形軌跡降到0，相應地uCE由0升高到UCC。不但集電極電壓和電流的最大值同時(shí)出現，而且電壓和電流都有超調現象，這種情況下瞬時(shí)功耗很大，極易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，導致GTR的二次擊穿而損壞。加上緩沖電路后，uCE和iC的開(kāi)通與關(guān)斷軌跡分別如3和4所示，由圖可見(jiàn)，其軌跡不再是矩形，避免了兩者同時(shí)出現最大值的情況，大大降低了開(kāi)關(guān)損耗，并且最大程度地利用于GTR的電氣性能。 
GTR的開(kāi)通緩沖電路用來(lái)限制導通時(shí)的di/dt，以免發(fā)生元件的過(guò)熱點(diǎn)，而且它在GTR逆變器中還起著(zhù)抑制貫穿短路電流的峰值及其di/dt的作用。GTO的關(guān)斷緩沖電路不僅為限制GTO關(guān)斷時(shí)再加電壓的du/dt及過(guò)電壓，而且對降低GTO的關(guān)斷損耗，使GTO發(fā)揮應有的關(guān)斷能力，充分發(fā)揮它的負荷能力起重要作用。 IGBT的緩沖電路功能更側重于開(kāi)關(guān)過(guò)程中過(guò)電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達30~50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的LdiC/dt，從而產(chǎn)生過(guò)電壓，危及IGBT的安全。圖2(a)和圖2(b)是PWM逆變器中IGBT在關(guān)斷和開(kāi)通中的uCE和iC波形。由圖2(a)可見(jiàn)，在iC下降過(guò)程中IGBT上出現了過(guò)電壓，其值為電源電壓UCC和LdiC/dt兩者的疊加。
圖2(b)為開(kāi)通時(shí)的uCE和iC波形，圖中增長(cháng)極快的iC出現了過(guò)電流尖峰iCP，當iCP回落到穩定值時(shí)，過(guò)大的電流下降率同樣會(huì )引起元件上的過(guò)電壓而須加以吸收（如圖所示）。逆變器中IGBT開(kāi)通時(shí)出現尖峰電流，其原因是由于在剛導通的IGBT負載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯(lián)的續流二極管的反向恢復電流，所以在此二極管恢復阻斷前，剛導通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使iC出現尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。 綜上所述，緩沖電路對于工作頻率高的自關(guān)斷器件，通過(guò)限壓、限流、抑制di/dt和du/dt，把開(kāi)關(guān)損耗從器件內部轉移到緩沖電路中去，然后再消耗到緩沖電路的電阻上，或者由緩沖電路設法再反饋到電源中去。此緩沖電路可分為兩在類(lèi)，前一種是能耗型緩沖電路，后一種是反饋型緩沖電路。能耗型緩沖電路簡(jiǎn)單，在電力電子器件的容量不太大，工作頻率也不太高的場(chǎng)合下，這種電路應用很廣泛。 2、 緩沖電路的基本結構 緩沖電路的功能包括抑制和吸收二個(gè)方面。圖3(a)是這種電路的基本結構，串聯(lián)的LS用于抑制di/dt的過(guò)量，并聯(lián)的CS通過(guò)快速二極管DS充電，吸收器件上出現的過(guò)電壓能量，由于電容電壓不會(huì )躍變，限制了重加du/dt。當器件開(kāi)通時(shí)CS上的能量經(jīng)RS泄放。對于工作頻率較高、容量較小的裝置，為了減少損耗，可將圖3(a)的RLCD電路簡(jiǎn)化為圖3(b)的形式。這種由RCD網(wǎng)絡(luò )構成的緩沖電路普遍用于GTR、GTO、電力MOSFET及IGBT等電力電子器件的保護。
圖4所示的幾種緩沖電路是上述基本RCD緩沖電路的簡(jiǎn)化或演變。如圖4所示，既可用于逆變器中IGBT模塊的保護，也適用于其他電子器件的緩沖保護；但其性能有所不同。圖4(a)是最簡(jiǎn)單的單電容電路，適用于小容量的IGBT模塊（10~50A）或其他容量較小的器件；但由于電路中有無(wú)阻尼元件，容易產(chǎn)生振蕩，為此CS中可串入RS加以抑制，這種RC緩沖電路在晶閘管的保護中已用得很普遍。圖4(b)是把RCD緩沖電路用于由兩只IGBT組成橋臂的模塊上，此電路比較簡(jiǎn)單；但吸收功能較單獨使用RCD時(shí)略差，多用于小容量元件的逆變器橋臂上。有時(shí)還可以把圖4(a)、圖4(b)兩種緩沖電路并聯(lián)使用，以增強緩沖吸收的功能。圖4(c)是RS交叉連結的緩沖電路，當器件開(kāi)斷時(shí)，CS經(jīng)DS充電，抑制du/dt；當器件開(kāi)通前，CS經(jīng)電源和RS釋入電荷，同時(shí)有部分能量得到反饋，這種電路對大容量的器件，例如，400A以上的IGBT模塊比較適合。
圖4(d)是大功率GTO逆變橋臂上的非對稱(chēng)RLCD緩沖電路。圖4(d)中電感受LS經(jīng)過(guò)DS和RS釋放磁場(chǎng)能量。GTO開(kāi)斷時(shí)，CS經(jīng)DS吸收能量并經(jīng)RS把部分能量反饋到電網(wǎng)上去；因此損耗較小，適用于大容量的GTO逆變器。圖4(c)和圖4(d)的功能類(lèi)似，其CS具有吸收電能和電壓箝位雙重功能，且效率較高。 圖4(e)是三角形吸收電路，這里吸收電容C1~C3為三角形聯(lián)結，在T1關(guān)斷時(shí)，并聯(lián)在T1兩端的總吸收電容量C3和C2串聯(lián)再和C1并聯(lián)后組成，即總電容量是 。這種電路的特點(diǎn)是：①3只電容器之間幾乎不需要連結線(xiàn)，所以寄生電感極��；②在電力電子器件工作過(guò)程中每只電容器都參予工作，電容器利用率高；③電路的損耗較小，日立公司曾在一定的條件下進(jìn)行試驗比較，這種電路的損耗約為RCD電路損耗的40%，因此我國研制中的CTO交流傳動(dòng)電力機車(chē)逆變器也采用這種電路，其GTO的規格為3000A、4500V，吸收電容量為C1=C2=C3=18μF。
緩沖電路引線(xiàn)中的雜散電感L’S必須限制到最小，以防止電力電子器件在關(guān)斷時(shí)出現電壓尖峰，并消除雜散電感與緩沖電路中CS構成諧振回路所產(chǎn)生的振蕩。圖5是以電感性負載中的GTO的緩沖電路為例，說(shuō)明雜散電感L’S對關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電壓產(chǎn)生尖峰電壓UP的影響。在陽(yáng)極電流迅速下降時(shí)，隨著(zhù)CS快速充電，L’S上所產(chǎn)生的L’SdiS/dt電勢加在GTO上；故L’S越大，UP越大，管耗Poff也越嚴重。此外，在感性負載下陽(yáng)極電流下降率diA/dt與緩沖電路中的電流上升率diS/dt相等，故負載電流越大，下降越快，L’SdiS/d也越大，同樣會(huì )產(chǎn)生嚴重后果。所以緩沖電路中的R、C、D等元件也力求采用無(wú)感元件。 |
