半桥逆变snubbber电路教材.docx
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半桥逆变snubbber电路教材
半桥逆变SNUBBER电路
描述:
半桥逆变正负桥臂开关管关断时是硬关断,当负载电流很大时,开关管关断时di/d(很大,由于线路存在分布电感,所以会引起很大的电压尖蜂,如果不加缓冲电路抑制电压尖峰的产生,则开关管的电压规格必须比正常值髙岀许多,开关损耗也较大,当UPS功率很大时(额圧电流很大),开关管的选取将变得异常困难:
同时,过髙的di/dt将产生严重的EML给半桥逆变的开关管增加关断缓冲电路可以降低di/dt、减小关断损耗,并能降低相应频段的EML一、常用SNUBBER电路的种类
1、RCSNUBBER(如图1)
-BUS
图2
3、变形的RCDSNUBBER电路(CLAMPING电路,如图3)
图1
2、RCDSNUBBER(如图2)
★BUS
图3
二、SNUBBER电路的工作过程
(以RCDSNUBBER电路为例进行分析,只分析正半周的情况)
1、Q1开通后进入稳态,流过Q1的负载电流为I,此时Ucsi=O,Ucs2=2*Vbus(如图4,红色箭头表示电流流向九
-BUS
图4
2、当QI的栅极上加入关断信号,电流I通过Q1的C、E间的寄生电容流过,Ucei升高,随之Ds】开通,一部分电流转移到Csi成为Csi的充电电流,Q1上电流减小,Cs2经Rs?
、Rload进行放电(如图5)。
-BUS
图5
3、QI完全关断(恢复阻断能力)后,Uce】大于正负BUS之和,D2开始正偏置,在D2的正偏置电压没有达到苴开通阈值电压之前不能及时导通,Cs】继续过充电,Cs2继续放电(如图6)。
图6
4、Csi仍然过充电,D2开始续流,负载电流I由正桥臂向负桥臂换流,Cs?
放电(如图7)。
图7
5、D2完全续流,Csi放电,Csi上过充的能量一部分消耗在Rsi上,另一部分反馈到+BUS(如图8)。
-BUS
图8
6、Csi放电完毕,Ucei=2*Vbus,Ucs2=0,D2进入稳态续流(如图9)。
-BUS
图9
7、Ql再次开通,Ql与D2之间进行换流,Q1的电流增大,D2的电流反相进入反相恢复过程,同时Csi、Rsi、Ql构成Cs】的放电回路,Ql、Ds2、Cs2构成Cs2的充电回路(图10)o
图10
8、D2的反相恢复完毕,Q1上流过负载电流I,同时,Csi的放电、Cs2的充电仍然继续(图11).
-BUS
图11
9、进入正桥臂稳态工作的情况(一个工作周期结束)。
三、SNUBBER电路定量分析
1、RCDSNUBBER电路
考虑线路主要分布电感,电路原理简图如图12。
图12
根据上面对电路工作过程的分析可以知道过程4冲Ug达到最大,其值约等于Ucsu将电路再次呈现在下而(图13)。
由电路有:
2*Vbus=厶—+mcsi一L.也乂
(1)
dtCS,-dt
由于iL2=I-isi,代入
(1)式得:
di
2*Vbus=(厶+厶)一—+"⑶
(2)
-dt
由十isi=Gyi♦代入
(2)式得:
dt
2*Vbus=(厶+L2)CS1i+lies]⑶
(3)式是一个“二阶常系数非齐次线性微分方程”,它的通解等于对应的齐次方程的通解加上它的一个特解,其对应的齐次方程为:
(厶+LJCs\――^-+"csi=0⑷
dV
对应的特征方程为:
(厶+厶2)5]疋+1=0(5)
解之:
S=±「」一——
丫(厶+厶2)Csi
令1-=(4)式的解为:
、/(厶+厶2)C$i
Ucsi=Klcos3t+K2sin31
可求出(3)式的一个特解为:
ucsi=2VBus,则(3)式的通解为:
Ucsi=Klcosa〉t+K2sinst+2VBus(7)
由于ucsi(o>=2Vbus»所以K1=O,(7)式化为:
Ucsi=K2sin3t+2Veus(8)
所以:
isi=Csi""('i=K2CS{cocosa)t(9)
dt
所以ucsi过充的电压(超过2VBUS部分)为:
其最大值为:
图14
根据图有:
2*Vbus=(厶+L2)Cs1—+RS}C―汁+"⑶(14)
dt~at
对应的齐次线性微分方程为:
(厶+g器+Rsd牛+S=。
(15)
drat
英特征方程为:
(厶+厶)C“S■+R$\Cs\S+1=0(16)
由于△=Rs|2C24(L1+L2)Csi的符号未知,所以(16)式的解有多种不同情况,这里只
d2«“I
讨论△<()的情况,令(厶+厶)Cs]+心(?
经竺+“⑶,贝叽
drdt
(17)
ucsi=£力(Klcosa/+K2sin 由于UcsiwfO所以Kl=0,则(18)式化为: ucsi=a"K2sin0‘(19) 所以: isi=Cv: =Cs\(aK2ea^sincot+©K2costy”)(20)dt 由于isi(o>=I»所以K2=———,则(15)式的通解为: codCs\ Ucsi=sincodt(21) gCs、 可以求出(14)式的一个特解Ucs「=2Vbus,则(14)式的通解为: Ia Ucsi=esincodt+2Vbus(22) codCs\ 所以Ucsi过充的电压(超过2Vbus部分)为: I& AU=ksine屛(23) 叫5 (24) 由于«<0,所以0力vl,贝IJ: AU(MAX)= 叫5 四、三种SNUBBER电路的比较 1、Uce的最大尖峰电压(Cs的最大过充电压厶U(max)) RCDSNUBBER: AUi= 0Qi 变形的RCDSNUBBER: AU2= RCSNUBBER: AU3= 因为3尸如一&2,所以△Ui=AU2 制电压尖邮的能力最差。 2、开关管损耗 RCD、RC电路的C中电荷要经过开关管泄放,开关管损耗较大: 变形的RCD电路的C中电荷不会经过开关管泄放,开关管损耗较小。 3、Rs功耗 RC电路中的Rs在Cs充放电过程中都有损耗,损耗较大,令损耗为Prsi,贝IJ: Prsi=KCs": $f (f为开关频率,K为损耗系数,因为Cs中电荷不可能全部损耗在Rs上,所以K<1)RCD电路中的Rs只在Cs放电过程中有损耗,损耗居中,令损耗为Prs2,贝9: Prsf*KCsU.f 变形的RCD电路中的Rs只在Cs放电过程中有损耗,且Cs中的电压变化幅度为△U,所以损耗最小,令损耗为PRS3,贝9: 17 PRS3=-ATCsAf/2f 4、EMI 三种电路都能降低di/dt,从这方而看EMI差不多。 RCD电路降低了开关管关断过程的du/dt,EMI最好: RC电路虽然也降低了开关管关断过程的du/dt,但由于RC常数较大,du/dt比RCD电路大,EW1I居中: 变形的RCD电路不能抑制开关管关断过程的du/dt,EMI最差。 五、3A3-15KS逆变SNUBBER电路设计 1、允许Cs的过充电压AU BUS电压Vbus最髙取450V,贝ij2*Vbus=900V,如果选用1200V的管子,贝lj AU<12OO-9OOV=3OOV 这里留有一泄裕量,取△U=25OV° 2、分布电感估算 2/3 布线电感的经验估算公式为: L=2/(ln—--)10"7(H) d4 3A3-15KSBUS电容与IGBT间用长导线连接,其长导线为主要分布电感来源,正BUS 线长0.3m.负BUS长0.26m,都釆用10#线,线径为0.003m,所以有: 3、Cs选择 (先根据RCDSNUBBERil•算.软件限流点为90A,实际上由于采样点在开关周期的中 点.所以电流有超过90A的可能,这里取1=100A进行计算) 心式7詈有' Csi= 这里取104/1000V电容。 4、Rs损耗计算 (取损耗系数K=0.1) RCDSNUBBER: PRS2=-KCsU二=0.5*0.1*0.1*1O'6*11502*19200=114W2 RCSNUBBER: Prsi=KCsUcs=0」乜1*106*11502*l9200=228W 变形的RCDSNUBBER: Prss=KCsHU2=0.5*0.1*0.1*106*2502*19200=6W 5、SNUUBER电路选择 从Rs损耗计算中可以看岀,选择RCDSNUBBER电路损耗会非常大,而选择RCSNUBBER电路损耗会再增大一倍,因此需选择变形的RCDSNUBBER电路(CLAMPING电路)。 6、Ds选择 根据上面的分析可以知道,在Ds开始导通的瞬间,Ds将流过所有的负载电流,软件限流点为90A,实际上电流有超过90A的可能,所以Ds的Ifsm应该大于150A,这里选择RHRP1512O(15A/12OOV),其Ifsm=200A° 7、Rs选择 Rs是Cs中过充电压的放电电阻,一般选择放电时间常数RsCs<-,所以: 3 T1 Rs<==174G 3Cs3*0.1*10"*19200 由于变形的SNUBBER电路Cs的放电电流不经过开关管,所以Rs可以取得较小,使Cs的过充电压尽快泄放,这里取Rs为3个10OHM/5W的电阻串联」
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