保护电路设计方法过电压保护.docx

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保护电路设计方法过电压保护

保护电路设计方法-过电压保护

2.过电压保护

⑴过电压的产生及抑制方法

①过电

压产生的原因

   对于IGBT开关速度较高，IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感，就产生了Ldi/dt电压（关断浪涌电压）。

   这里，以IGBT关断时的电压波形为例，介绍产生原因和抑制方法，以具体电路（均适用IGBT/FWD）为例加以说明。

   为了能观测关断浪涌电压的简单电路的图6中，以斩波电路为例，在图7中示出了IGBT关断时的动作波形。

关断浪涌电压，因IGBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压。

关断浪涌电压的峰值可用下式求出：

VCESP=Ed＋（-LdIc/dt）

式中dlc/dt为关断时的集电极电流变化率的最大值； VCESP为超过IGBT的C-E间耐压（VCES）以至损坏时的电压值。

②过电压抑制方法

   作为过电压产生主要因素的关断浪涌电压的抑制方法有如下几种：

在IGBT中装有保护电路（=缓冲电路）可吸浪涌电压。

缓冲电路的电容，采用薄膜电容，并靠近IGBT配置，可使高频浪涌电压旁路。

调整IGBT的驱动电路的VCE或RC，使di/dt最小。

尽量将电件电容靠近IGBT安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳。

为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳。

⑵缓冲电路的种类和特

   缓冲电路中有全部器件紧凑安装的单独缓冲电路与直流母线间整块安装缓冲电路二类。

①个别缓冲电路

   为个别缓冲电路的代表例子，可有如下的缓冲电路

RC缓冲电路

充放电形RCD缓冲电路

放电阻止形RCD缓冲电路

   表3中列出了每个缓冲电路的接线图。

特点及主要用途。

表3单块缓冲电路的接线圈特点及主电用途

缓冲电路接线图

特点（注意事项）

主要用途

RC缓冲电路

·关断浪涌电压抑制效果好。

·最适合于斩波电路。

·使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值很小，这样开通时的集电极电流增大，IGBT功能受到限制。

焊接机

开关电源

充放电形

RCD缓冲电路

·可抑制关断浪涌电压。

·与Rc缓冲电路不同。

因加了缓冲二极管使缓冲电阻变大，因而避开了开通时IGBT功能受到限制的问题。

·与放电阻止形RCD缓冲电路相比，缓冲电路中的损耗（主要由缓冲电阻产生）非常大，因而不适用于高频开关用途。

·在充放典型RCD缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗可由下式求出。

式中

L：

主电路中分布电感一

lo：

IGBT关断时集电极电流

Cs：

缓冲电容值

Ed：

直流电源电压

f：

开关频率

放电阻止形

缓冲电路

放电阻止形缓冲电路

·有抑制关断浪涌电压效果。

·最适合用于高频开关用途。

·在缓冲电路中产生的损耗小。

·在充放电形RCD缓冲电路的缓冲电阻上产生的损耗可用下式求出。

式中

L：

主电路的分布电感

Io：

IGBT关断时的集电极电流

f：

开关频率

逆变器

②整体缓冲电路

   作为这类缓冲电路的代表例子，有下面几种缓冲电路

C缓冲电路

RCD缓冲电路

   最近，为简化缓冲电路的设计，大多采用整体缓冲电路。

表4列出了各种整体缓冲电路的接线图和特点，主要用途。

表5中列出了采用整体缓冲电路时的缓冲电路容量的数值，图8示出了这类缓冲器开断波形的例子。

表4整体缓冲电路的接线图特点及主要用途

缓冲电路接线图

特点（注意事项）

主要用途

C缓冲电路

电路最简单。

由主电路电感及缓冲电容构成谐振电路电压易产生振荡。

逆变器

RCD缓冲电路

缓冲二极管的选择错误，可产生较高的尖峰电压并在缓冲二极管反向恢复时，电压产生振荡。

逆变器

表5整体（缓冲容量数值）

器件规格\项目

驱动条件

主电路分布电感

（µH）

缓冲电容值Cs

（µF）

-VCE（V）

RG（Ω）

600V

50A

≤15

≥51

0.47

75A

≥33

100A

≥24

150A

≥16

≤0.2

1.5

200A

≥9.1

≤0.16

2.2

300A

≥6.8

≤0.1

3.3

400A

≥4.7

≤0.08

4.7

1200V

50A

≥24

0.47

75A

≥16

100A

≥9.1

150A

≥5.6

≤0.2

1.5

200A

≥4.7

≤0.16

2.2

300A

≥2.7

≤0.1

3.3

样品：

2MBI100N-060

Ed（Vcc）=300V

VGE＝＋15，－15V

RG=24Cs＝0．47UF

⑶放电阻止形RCD缓冲电路设计方法

   作为IGBT缓冲电路，认为最合理的放电阻止形RCD缓冲电路的基本设计方法说明如下：

①是否适用的研讨

图9示出了使用放电阻止形RCD缓冲电路时关断时的动作轨迹图

   放电阻止形RCD缓冲器，当IGBT的C-E间电压超过直流电源电压时开始工作，其理想的动作轨迹用点线来表示。

   但是，在实际装置中’由於缓冲电路接线电感及缓冲二极管过渡正向电压下降的影响，关断时尖峰电压的存在，变成了向右扩张的，如实线所示。

   放电阻止形RCD缓冲电路是否时适用取决於关断时动作轨述能否收拔在IGBT的RBSOA内而定

另外。

关断时的峰值电压可用下式求出：

式中    Ed：

VFM：

 Ls：

dlc/dt：

直流电源电压

缓冲二极管过渡止向电压降

缓冲电路的接线电感

关断时的集电极电流变化率的最大值

   缓冲二极管的一般过度正向电压降的参考值通常如下

 600V级：

20-30V

1200V级：

40～60V

②缓冲电容（Cs）容量值的计示方法

缓冲电容所必须的容量值可用下式求出：

式中    L：

Io：

VCEF：

Ed：

主电路的分布电感

IGBT关断时的集电极电流

缓冲电容电压的最终值

直流电源电压

   VCEF必须控制在小於IGBT的C-E间耐压值。

此外，缓冲电容，要选用高频特性优良的电容（薄膜电容器等）。

③缓冲电阻（Rs）值的求法

   对缓冲电阻性能要求是IGBT能进行关断动作，能将缓冲电容上积聚电荷通放电来进行。

IGBT关断时，以放电90%的积聚电荷为条件，由下式可求出缓冲电阻值。

   如果将缓冲电阻值设定得过低，缓冲电路冲电流可能振荡，由於IGBT接通时集电极电流峰值增加、在上式荡是的范围内，请设定在最高值为佳。

缓冲电阻产生的损耗P（Rs）和阻值系可由下式求得。

④缓冲二极管的选定

   缓冲二极管过渡正向电压降减小是关断时尖峰电压产生的主要原因之一。

   另外，缓冲二极管逆向恢复时间变长，在高频开关工作时，使缓冲二极管产生的损耗变大“，缓冲二极管的逆向恢复动作变得困难，在缓冲二极管逆向恢复动作时，IGBT的C-E间电压急剧增大且产生振荡。

对于缓冲二极管，要选择过度正向电压低，逆向恢复时间短，逆向恢复特性较软（容易）的为佳。

⑤跟随电路接线上的注意事项

   由于缓冲电路的接线是导致尖峰电压产生的主要原因，所以，电路器件的配置，尽量使分布电感降低为好。

在带变压器的开关电源拓扑中，开关管关断时，电压和电流的重叠引起的损耗是开关电源损耗的主要部分，同时，由于电路中存在杂散电感和杂散电容，在功率开关管关断时，电路中也会出现过电压并且产生振荡。

如果尖峰电压过高，就会损坏开关管。

同时，振荡的存在也会使输出纹波增大。

为了降低关断损耗和尖峰电压，需要在开关管两端并联缓冲电路以改善电路的性能。

缓冲电路的主要作用有：

一是减少导通或关断损耗；二是降低电压或电流尖峰；三是降低dV／dt或dI／dt。

由于MOSFET管的电流下降速度很快，所以它的关断损耗很小。

虽然MOSFET管依然使用关断缓冲电路，但它的作用不是减少关断损耗，而是降低变压器漏感尖峰电压。

本文主要针对MOSFET管的关断缓冲电路来进行讨论。

1RC缓冲电路设计

在设计RC缓冲电路时，必须熟悉主电路所采用的拓扑结构情况。

图l所示是由RC组成的正激变换器的缓冲电路。

图中，当Q关断时，集电极电压开始上升到2Vdc，而电容C限制了集电极电压的上升速度，同时减小了上升电压和下降电流的重叠，从而减低了开关管Q的损耗。

而在下次开关关断之前，C必须将已经充满的电压2Vdc放完，放电路径为C、Q、R。

假设开关管没带缓冲电路，图1所示的正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同。

这样，当Q关断瞬间，储存在励磁电感和漏感中的能量释放，初级绕组两端电压极性反向，正激变换器的开关管集电极电压迅速上升到2Vdc。

同时，励磁电流经二极管D流向复位绕组，最后减小到零，此时Q两端电压下降到Vdc。

图2所示是开关管集电极电流和电压波形。

可见，开关管不带缓冲电路时，在Q关断时，其两端的漏感电压尖峰很大，产生的关断损耗也很大，严重时很可能会烧坏开关管，因此，必须给开关管加上缓冲电路。

当开关管带缓冲电路时，其集电极电压和电流波形如图3所示（以正激变换器为例）。

在图1中，当Q开始关断时，其电流开始下降，而变压器漏感会阻止这个电流的减小。

一部分电流将继续通过将要关断的开关管，另一部分则经RC缓冲电路并对电容C充电，电阻R的大小与充电电流有关。

Ic的一部分流进电容C，可减缓集电极电压的上升。

通过选取足够大的C，可以减少集电极的上升电压与下降电流的重叠部分，从而显著降低开关管的关断损耗，同时还可以抑制集电极漏感尖峰电压。

图3中的A-C阶段为开关管关断阶段，C-D为开关管导通阶段。

在开关管关断前，电容C两端电压为零。

在关断时刻（B时刻），C会减缓集电极电压的上升速度，但同时也被充电到2Vdc（在忽略该时刻的漏感尖峰电压的情况下）。

电容C的大小不仅影响集电极电压的上升速度，而且决定了电阻R上的能量损耗。

在Q关断瞬间，C上的电压为2Vdc，它储存的能量为0．5C（2Vdc）2焦耳。

如果该能量全部消耗在R上，则每周期内消耗在R上的能量为：

对限制集电极上升电压来说，C应该越大越好；但从系统效率出发，C越大，损耗越大，效率越低。

因此，必须选择合适的C，使其既能达到一定的减缓集电极上升电压速度的作用，又不至于使系统损耗过大而使效率过低。

在图3中，由于在下一个关断开始时刻（D时刻）必须保证C两端没有电压，所以，在B时刻到D时刻之间的某时间段内，C必须放电。

实际上，电容C在C-D这段时间内，也可以通过电阻R经Q和R构成的放电回路进行放电。

因此，在选择了一个足够大的C后，R应使C在最小导通时间ton内放电至所充电荷的5％以下，这样则有：

式

（1）表明R上的能量损耗是和C成正比的，因而必须选择合适的C，这样，如何选择C就成了设计RC缓冲电路的关键，下面介绍一种比较实用的选择电容C的方法。

事实上，当Q开始关断时，假设最初的峰值电流Ip的一半流过C，另一半仍然流过逐渐关断的Q集电极，同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为Ip。

那么，通过选择合适的电容C，以使开关管集电极电压在时间tf内上升到2Vdc（其中tf为集电极电流从初始值下降到零的时间，可以从开关管数据手册上查询），则有：

因此，从式

（1）和式（3）便能计算出电容C的大小。

在确定了C后，而最小导通时间已知，这样，通过式

（2）就可以得到电阻R的大小。

2带RC缓冲的正激变换器主电路设计

2．1电路设计

图4所示是一个带有RC缓冲电路的正激变换器主电路。

该主电路参数为：

Np=Nr=43匝。

Ns=32匝，开关频率f=70kHz，输入电压范围为直流48～96V，输出为直流12V和直流0．5A。

开关管Q为MOSFET，型号为IRF830，其tf一般为30ns。

Dl、D2、D3为快恢复二极管，其tf很小（通常tf=30ns）。

本设计的输出功率P0=V0I0=6W，假设变换器的效率为80％，每一路RC缓冲电路所损耗的功率占输出功率的1％。

这里取Vdc=48V。

2．2实验分析

下面分两种情况对该设计进行实验分析，一是初级绕组有缓冲，次级无缓冲；二是初级无缓冲，次级有缓冲。

（1）初级绕组有缓冲，次级无缓冲

该实验测量的是开关管Q两端的漏源电压，实验分以下两种情况：

第一种情况是RS1=1．5kΩ，CS1不定，输入直流电压Vdc为48V。

其实验结果为：

在RS1不变的情况下，CSl越大，虽然开关管Q的漏感尖峰电压无明显降低，但它的漏源电压变得平缓了，这说明在初级开关管的RC缓冲电路中，CSl应该选择比较小的值。

第二种情况是CSl=33pF，RS1不定，输入直流电压Vdc为48V。

其结果是：

当CS1不变时，RS1越大，开关管Q的漏感尖峰电压越大（增幅比较小）。

可见，RC缓冲电路中，参数R的大小对降低漏感尖峰有很大的影响。

在选定一个合适的C，同时满足式

（2）时，R应该选择比较小的值。

（2）次级绕组有缓冲，初级无缓冲

本实验以D2、D3的阴极作为公共端来测量快恢复二极管的端压，其结果是，当R不变时，C越大，二极管两端的漏感尖峰越小。

同时理论上，如果C为无穷大时，二极管两端的电压中就没有漏感尖峰。

而在实际中，只需让二极管两端电压的漏感尖峰电压在其端压峰值的30％以内就可以满足要求了，这样同时成本也不会太高。

2．3设计参数的确定

通过实验分析可见，在次级快恢复二极管的RC缓冲电路中，当选择了适当大小的电容C时，在满足式

（2）的情况下，电阻R应该选择得越小越好。

最终经过实际调试，本设计选择的RC缓冲电路参数为：

初级：

RS1=200，CSl=100pF

次级：

RS2=RS3=5l，CS2=CS3=1000pF

本设计的初级开关管的RC缓冲电路中的C值虽然选得稍微比计算值大一些，但损耗也不是很大，因此还是可以接受的。

相对初级而言，次级快恢复二极管的RC缓冲电路中的C值就选得比计算值大得多，系统的损耗必然增大。

但是，并联在快恢复二极管两端的RC缓冲电路主要是为了改善系统输出性能，因此选择比较大的C值虽然会使系统的整体效率降低，但二极管两端的漏感尖峰就减小了很多，而且输出电压的纹波也可以达到指定要求。

3结束语

根据以上给出的公式，可以很好而且很方便地选择出合适的RC缓冲电路。

但是在工程应用中，应该根据系统设计的性能指标，通过实际调试才能得到真正合适的参数。

有时候，为了达到系统的性能指标，牺牲一定的效率也是必要的。

总之，在设计RC缓冲电路参数时，必须综合考虑系统性能和效率，最终选择合适的RC参数。