68411-电力电子技术第7章 缓冲电路.pptx

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1、0电力电子技术 Power Electronics电气精品教材丛书“十三五”江苏省高等学校重点教材工业和信息化部“十四五”规划教材第7章 缓冲电路2023/12/162023/12/16南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/161 概述概述热应力-损耗电应力 导通损耗开/关损耗 电压尖峰电流尖峰di/dt,du/dt(开关瞬间)n影响电力电子器件/装置可靠性的因素南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/162缓冲电路的作用缓冲电路的作用n 改善开/关过程电压电流变化曲线 开通/关断损耗n 从而改善开关管的 di/dt,du/dt 电流/电压尖锋n 提高变换器的可靠性南京航

2、空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1637.1 开关管的开通和关断特性7.2 直流变换器的基本缓冲电路7.3 直流变换器的无损缓冲电路 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/164开关管的开通和关断特性开关管的开通和关断特性n开通：当开关管从截止状态变为导通状态n关断：开关管从导通状态变为截止状态n直流变换器的工作原理分析，假设开关管是理想器件，开通时间和关断时间均为零n开关管开通和关断过程是需要时间的，开通时，开关管的电压和电流都有一个变化过程n以BUCK电路，分析开关管的开通和关断特性南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/165电路工作模态分析电路工作模态

3、分析1 1n 模态1 t0时刻之前：Q 截止，DFW 导通电感电流 iLf 线性下降功率管电压uce为 Uin二极管电容电压为零Q Q 管关断稳态过程管关断稳态过程开关模态1开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/166电路工作模态分析电路工作模态分析2n 模态2 t0，t1：开通 Q，集电极电流 ic开始上升由于 ic小于 iLf，DFW依然导通，二极管电流下降二极管与功率管电流之和为iLf Q 电压 uce为 Uin t1 时刻，ic上升到 iLfQ Q管电流上升管电流上升/D D电流下降过程电流下降过程开关模态2开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组

4、2023/12/167电路工作模态分析电路工作模态分析3n 模态3 t1，t3：DFW 反向恢复，电流 iD 为负，结电容 CD 被充电iD在 t2时刻达到负向最大值，而后开始减小，并在 t3 时刻减小到零，DFW 反向恢复过程结束ic=iLf iD，开通尖峰DFW 电压从0上升到Uin，uce从 Uin下降到 0 t3时刻，Q 完成开通D DFWFW反向恢复过程反向恢复过程开关模态3开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/168电路工作模态分析电路工作模态分析4n 模态4 t3，t4：t3 时刻之后，Q导通，DFW关断滤波电感电压为UinUo功率管电压uce为零二极

5、管电压为UinQ Q稳态导通过程稳态导通过程开关模态4开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/169电路工作模态分析电路工作模态分析5n 模态5 t4，t6：关断 Q，ic开始下降DFW结电容 CD放电，电流为 iD=iLficDFW电压 uD开始下降Q电压uce开始上升t6时刻，CD电荷释放完毕uD下降到0，uce上升到UinQ Q管关断电压上升过程管关断电压上升过程开关模态5开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1610电路工作模态分析电路工作模态分析6n 模态6 t6，t7：ic继续下降，由于 ic小于 iLf，DFW依然导通二极管与

6、功率管电流之和为iLft7时刻，ic下降到零，iD增大到 iLfQ 完成关断过程Q Q管电流下降至零，完成关断管电流下降至零，完成关断开关模态6开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1611开关管的开通和关断特性开关管的开通和关断特性n开关管的开通与关断过程，ic与uce 存在交叠区，产生开关损耗，包括开通损耗和关断损耗n每个开关周期内的开关损耗是恒定的，随着开关频率的提高，总的开关损耗也呈比例增大n开关管开通时，电流上升快，di/dt 很大；开关管关断时，电压上升很快，du/dt 很大n硬开关方式，会产生很大的电磁干扰南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/1

7、2/16127.1 开关管的开通和关断特性7.2 直流变换器的基本缓冲电路7.3 直流变换器的无损缓冲电路 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1613 7.2 直流变换器的基本缓冲电路 7.2.1 RCD缓冲电路 7.2.2 RLD缓冲电路 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1614关断缓冲电路过程分析关断缓冲电路过程分析n为了减小开关管的关断损耗，可以减小开关管关断时电压电流交叠区的电压大小n可通过加入一个缓冲电路以降低开关管两端电压的上升率来实现uce 0ie 0P=icuce无关断无关断缓冲冲关断过程uce 0ie 0P=icuce有关断有关断缓冲冲带缓冲

8、的关断过程南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1615直流变换器直流变换器关断缓冲电路推导过程关断缓冲电路推导过程n通过并联电容，可降低开关管两端电压变化n在关管截止Cs电压为Uin，开关管开通时Cs直接 被短路，会导致ic存在很大电流尖峰n为减小开关管开通时电流尖峰，在Cs串联电阻Rsn但Rs会削弱 Cs的作用，使得开关管关断时电压上升速度变快n在 Rs上并联一个二极管 Ds，构成RCD缓冲电路在开关管两端并联缓冲电容Cs给缓冲电容Cs串联电阻Rs在电阻Rs上并联二极管Ds南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1616直流变换器关断缓冲电路推导过程直流变换器关断缓冲

9、电路推导过程n 开关管关断时Ds导通电容Cs直接并联在开关管两端减缓开关管两端电压的上升率n 开关管开通时Ds关断电容Cs通过串联电阻Rs放电减缓了开关管的电流尖峰南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1617RCD缓冲电路工作模态分析缓冲电路工作模态分析1n 模态1 t0时刻之前：Q 截止，DFW 导通电感电流 iLf 线性下降功率管电压uce为 Uin缓冲电容 Cs电压 uCs为Uin二极管电容电压为零开关模态1加入RCD缓冲电路后开关管的主要波形Q Q管关断稳态过程管关断稳态过程南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1618电路工作模态分析电路工作模态分析2n 模

10、态2 t0，t1：开通 Q，集电极电流 ic开始上升由于 ic小于 iLf，DFW依然导通，二极管电流下降二极管与功率管电流之和为iLf Q 电压 uce仍然为 Uin t1 时刻，ic上升到 iLfQ Q管电流上升管电流上升/D D电流下降过程电流下降过程开关模态2加入RCD缓冲电路后开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1619电路工作模态分析电路工作模态分析3n 模态3 t1，t3：DFW 反向恢复，结电容 CD 被充电，电流 iD 为负CD电压上升，uce开始下降，Cs通过Rs放电ic=iLf+iD+iCs(Cs放电电流)t2之后，iD反向减小，uDFW从0

11、至Uin，uce从 Uin至0t3时刻，DFW完成反向恢复，Q 完成开通过程开关模态3D DFWFW反向恢复过程反向恢复过程加入RCD缓冲电路后开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1620电路工作模态分析电路工作模态分析4n 模态4 t3，t4：t3 时刻之后，Q导通，DFW关断Cs继续通过 Rs和Q放电，其电压在 t4 时刻至零ic=iLf+iCs(Cs放电电流)功率管电压uce为零，二极管电压为Uin滤波电感电压为UinUo开关模态4C Cs s继续放电过程继续放电过程加入RCD缓冲电路后开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/162

12、1电路工作模态分析电路工作模态分析5n 模态5 t4，t5：t4 时刻之后，缓冲电路停止工作Q导通，DFW关断滤波电感电压为UinUo功率管电压uce为零，Cs电压为零二极管电压为UinQ Q管稳态导通过程管稳态导通过程开关模态5加入RCD缓冲电路后开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1622电路工作模态分析电路工作模态分析6n 模态6 t5，t7：关断 Q，ic开始下降DFW结电容 CD放电，而 Cs充电，iD+iC+iCS=iLfDFW电压 uD开始下降Cs限制uce上升，uce缓慢上升t7时刻，iCS下降至零，Q管完成关断过程开关模态6Q Q管关断过程管关断

13、过程加入RCD缓冲电路后开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1623电路工作模态分析电路工作模态分析7n 模态7 t7，t8：Cs继续充电，而 CD 继续放电t8时刻，Cs电压上升到Uin，CD电压下降到零iLf通过DFW续流，iLf=iD+iCS t8时刻之后，DFW导通，缓冲电路停止工作开关模态7Q Q管电压上升到管电压上升到U Uinin过程过程加入RCD缓冲电路后开关管的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1624加入加入RCD 缓冲电路的工作特性缓冲电路的工作特性nQ关断过程中，Cs限制了 uce的上升率，ic与uce的交叠区中uc

14、e较低，大大减小Q关断损耗nQ开通时，Cs通过Q放电，Q存在一定开通电流尖峰，Q开通损耗有所增加nCs存储能量主要消耗在Rs上，RCD缓冲电路是有损耗未加缓冲电路加入缓冲电路南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1625关断缓冲电路参数设计关断缓冲电路参数设计n 电容CS设计：缓冲电容大，uce上升慢，有助于减小关断损耗缓冲电容大，缓冲电容能量损耗大应折衷选取，uce上升到Uin的时间为开关管电流下降时间35 倍电容值设计：应选等效电感较小的薄膜电容或金属膜电容缓冲电容承受的最高电压为Uin，电压定额按照(1.52)Uin选取南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/162

15、6关断缓冲电路参数设计关断缓冲电路参数设计n 电阻Rs设计：开关管导通时，缓冲电容电压应下降到零缓冲电阻最大值为：尽量按照最大值选取，以减小开关管开通时电流尖峰缓冲电阻消耗的功率为：选择等效电感较小金属膜电阻或者碳膜电阻存在较大功率消耗，还应选择功率较大电阻南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1627关断缓冲电路参数设计关断缓冲电路参数设计n 缓冲二极管Ds设计：缓冲二极管承受的电压应力为Uin如果忽略续流二极管DFW反向恢复，开关管关断时缓冲二极管流过最大电流近似为Io，流过时间约为(35)tf缓冲二极管电流有效值：应选用快恢复二极管，按照其电压应力和电流有效值选取南京航空航天

16、大学电力电子技术课程组2023/12/1628另一种另一种RCD缓冲电路设计缓冲电路设计n 关断时在Q两端等效并联电容延缓电压变化n 同时将等效电容放于D两端延缓Q管关断电压变化n 衍生出第二种RCD缓冲电路n 特别注意二极管方向工作原理？工作原理？RCD缓冲电路并联在续流二极管上RCD缓冲电路并联在开关管上南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1629另一种另一种RCD缓冲电路工作原理缓冲电路工作原理n 开关管Q关断过程：关断前：Q稳态导通，DFW截止，CS电压为Ui（上正下负）关断瞬间，Q电流下降，Ds会导通，弥补Q电流减小量由于Cs作用，续流二极管DFW电压从Uin缓慢下降到

17、零，Q 电压uce从零慢慢上升到Uin，因此减小Q关断损耗注意：当CS上电压减小到零时，D方会导通续流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1630另一种另一种RCD缓冲电路工作原理缓冲电路工作原理n 当开关管Q 导通时：导通前：Q关断，D稳态续流，CS上电荷为零输入电压通过缓冲电阻Rs给缓冲电容CS充电Q电流除了电感电流分量外，还有CS的充电电流当CS电压上升到Uin时，充电过程结束南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1631 7.2 直流变换器的基本缓冲电路 7.2.1 RCD缓冲电路 7.2.2 RLD缓冲电路 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/

18、1632推论：缓冲电路的分析方法和过程推论：缓冲电路的分析方法和过程n 提出问题：关断过程？开通过程？n 解决方案：关断缓冲电路RCD；开通缓冲电路？开通/关断过程的对偶性：关断 开通 ；电压 电流南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1633开通缓冲电路设计开通缓冲电路设计n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)Ls储能释放RLD缓冲电路南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1634开通缓冲电路设计开通缓冲电路设计n缓冲电路工作原理：Q off：稳态时，iLs=0，iDFW=iLQ导通瞬态，开关转换时iLf不变，iLs=

19、iLf-iDFW由于Ls与Q的串联限制了ic的增长速度，起到了开通缓冲的作用南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1635开通缓冲电路设计开通缓冲电路设计n缓冲电路工作原理：Q on:开通稳态时，ic=iLsQ关断瞬态：iLs经过Ds 、Rs流通，则增大Q关断电压Rs与能量消耗相关，与Ls电流下降时间和附加电压大小有关南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/16367.1 开关管的开通和关断特性7.2 直流变换器的基本缓冲电路7.3 直流变换器的无损缓冲电路 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1637 7.3 直流变换器的无损缓冲电路 7.3.1 无损关断

20、缓冲电路 7.3.2 无损开通缓冲电路 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1638无损关断缓冲电路设计无损关断缓冲电路设计n关断缓冲电路南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1639无损关断缓冲电路分析无损关断缓冲电路分析nQ关断、D续流期间：uC1uC20，iL10nQ导通后，C1、C2通过L1谐振充电，至uC1uC2=UinQ再次关断时，C1、C2分别通过D2、D1放电，uceUiuC1，从0开始缓慢上升 无损关断缓冲电路各开关模态的等效电路(a)t0时刻之前(b)t0，t1(c)t1，t2(d)t2，t3南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/164

21、0无损关断缓冲电路分析无损关断缓冲电路分析n Q导通后C1、C2通过L1谐振充电，至uC1uC2=Ui并保持n Q关断，电容C1、C2延缓Q管电压变化，起到关断缓冲作用 无损关断缓冲电路无损关断缓冲电路的主要波形南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1641 7.3 直流变换器的无损缓冲电路 7.3.1 无损关断缓冲电路 7.3.2 无损开通缓冲电路 南京航空航天大学电力电子技术课程组2023/12/1642无损开通缓冲电路设计无损开通缓冲电路设计n原理：Q开通时，Ls限制 ic 上升速度Q关断后，磁元件中的能量送回源端（反激）无损开通缓冲电路无损开通缓冲电路的主要波形(a)t0时刻之前(b)t0，t1(c)t1，t2 (d)t2，t3无损开通缓冲电路各开关模态的等效电路