保护电路设计方法---过电压保护模板.doc

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L di/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＋(-L dIc/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)600V50A≤15≥51　0.4775A≥33100A≥24150A≥16≤0.21.5200A≥9.1≤0.162.2300A≥6.8≤0.13.3400A≥4.7≤0.084.71200V50A≥24　0.4775A≥16100A≥9.1150A≥5.6≤0.21.5200A≥4.7≤0.162.2300A≥2.7≤0.13.3样品：2MBI100N-060Ed（Vcc)=300VVGE＝＋15，－15VRG=24 Cs＝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：20-30V1200V级：40～60V②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1 RC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。