新型電力電子器件與變換技術(shù)課程論文三電平逆變器緩沖電路原理和設(shè)計(jì)

1、上海大學(xué) 2012-2013 學(xué)年秋季學(xué)期研究生課程考試小論文課程名稱： 新型電力電子器件與變換技術(shù) 課程編號(hào)： 09saw9007 論文題目: 三電平逆變器緩沖吸收電路的原理和設(shè)計(jì) 姓 名: 楊銀莎 學(xué) 號(hào): 12721145 論文評(píng)語(yǔ):成 績(jī): 任課教師: 評(píng)閱日期: 三電平逆變器緩沖吸收電路原理和設(shè)計(jì)楊銀莎 （上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）摘要：本文為了得到三電平逆變器緩沖電路模型，首先介紹了三電平逆變器的基本工作原理，然后針對(duì)igbt器件產(chǎn)生過電壓需要緩沖電路的事實(shí)，給出了幾種常見的緩沖電路模型及其原理，根據(jù)過電壓產(chǎn)生的機(jī)理說明了線路的布置特點(diǎn)，最后給出了兩種常見緩

2、沖電路一種不會(huì)出現(xiàn)電壓不平衡，另一種鉗制過電壓，并對(duì)其工作過程緩沖結(jié)果進(jìn)行了說明。關(guān)鍵字：三電平逆變器 緩沖電路the principle and design of three level inverter buffer absorbing circuityang yin-sha(school of mechantronics engineering and automation, shanghai university, shanghai 200072, china)abstract: to get three level inverter buffer circuit model, fi

3、rstly introduces three level inverter basic working principle, then as for the fact that igbt device produces over voltage need buffer circuit, several common buffer circuit model and its principle has been given, according to the overvoltage emergence mechanism illustrates line layout characteristi

4、cs, and finally gives out the two most common types of buffer circuit: a wont appear voltage imbalance, another kind of strangulation overvoltage, and its working process buffer results are explained.key words: three level inverter buffer circuit前 言在igbt的應(yīng)用中，隨著電壓、電流、頻率的不斷增加，對(duì)igbt的保護(hù)顯得尤為重要，而緩沖電路的作用就更

5、加明顯。針對(duì)曾經(jīng)出現(xiàn)的由于緩沖電路使各開關(guān)器件上電壓不均的情況本文提出了一種沒有電壓不均的最簡(jiǎn)單的緩沖電路模型，同時(shí)針對(duì)每個(gè)開關(guān)管的過電壓都做了鉗制效應(yīng)的緩沖電路。1 三電平逆變器工作原理三電平電路的基本原理，如圖1.1是二極管嵌位式三電平逆變器，從一個(gè)橋臂出發(fā)，給t1、t2導(dǎo)通觸發(fā)脈沖，t3、t4關(guān)斷時(shí)，a輸出電壓u=udc/2，a相輸出電壓u=0。給t3、t4導(dǎo)通觸發(fā)脈沖，t1、t2關(guān)斷時(shí)，a相輸出電壓u=udc/2。圖1.1 二極管嵌位式三電平逆變器2 緩沖電路的類型及其作用器件損壞，不外乎是器件在開關(guān)過程中遭受了過量di/dt、dv/dt或瞬時(shí)功耗的危害而造成的。緩沖電路的作用，就是改

6、變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過電壓，降低器件開關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。緩沖電路的基本類型有四種：c緩沖電路，把電容和器件并聯(lián)。rc緩沖電路，把rc串聯(lián)電路和開關(guān)器件并聯(lián)。rcd緩沖電路和放電阻止型rcd緩沖電路如圖所示。其各自特點(diǎn)及應(yīng)用條件：c緩沖電路： 采用薄膜電容，靠近igbt安裝，其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，用作對(duì)瞬變電壓有效而低成本的控制，接在c1和e2之間（兩圖2.1 c緩沖電路 圖2.2 rc緩沖電路圖2.3 rcd緩沖電路 圖2.4 放電阻止型rcd緩沖電路單元模塊）或p和n之間（六單元模塊），缺點(diǎn)是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成lc諧振電路，易產(chǎn)生電壓振蕩。rc緩沖電路：其特點(diǎn)是適用于斬波

7、電路，但在使用大容量igbt時(shí)，必須使緩沖電阻的阻值增大，否則，開通時(shí)集電極電流過大，使igbt的功能受到一定限制。rcd緩沖電路：與rc緩沖電路相比，其特點(diǎn)是增加了緩沖二極管，從而使緩沖電阻增大，避開了開通時(shí)igbt功能受阻的問題。適用于較大功率igbt模塊，緩沖二極管d可箝制瞬變電壓，從而能抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其rc時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)周期的1/3。放電阻止型rcd緩沖電路：與rcd緩沖電路相比，其特點(diǎn)是產(chǎn)生的損耗小，適合于高頻開關(guān)。3 igbt緩沖電路igbt采用緩沖電路后典型關(guān)斷電壓波形如圖所示。圖3.1采用緩沖電路后igbt關(guān)斷波形圖中，vce起始部分的毛刺是由緩

8、沖電路的寄生電感和緩沖二極管的恢復(fù)過程引起的。其值由下式計(jì)算： （1） 式中：為緩沖電路的寄生電感； 為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的電流上升率，其最惡劣的值接近0.02ic（a/ns）。如果已被設(shè)定，則可由式（1）確定緩沖電路允許的最大電感量。例如，設(shè)某igbt電路工作電流峰值為400a，100v。 則在最惡劣情況下， =0.02400=8a/ns 由式（1）得 =100/8=12.5nh 圖中是隨著緩沖電容的充電，瞬態(tài)電壓再次上升的峰值，它與緩沖電容的值和母線寄生電感有關(guān)，可用能量守恒定律求值。如前所述，母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感，在igbt開通時(shí)儲(chǔ)存的能量要轉(zhuǎn)儲(chǔ)在緩沖電容中，

9、因此有 （2）從式（1）和式（2）不難看出，大功率igbt電路要求母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感愈小愈好。這不僅可以降低，而且可以減小緩沖電容c的值，從而降低成本。實(shí)際的功率電路設(shè)計(jì)中可采用以下措施來減小所需電容值。采用平板式匯流母線, 正負(fù)極重疊在一起, 中間用絕緣板隔開, 以獲得最小母線寄生電感。因?yàn)閏值與關(guān)斷電流的平方成正比,所以采取必要的限流技術(shù)來限制功率電路的最大電流。因?yàn)閏值反比于的平方, 所以若允許與igbt的vce之間有一定的裕度則可使緩沖電容值明顯減小。對(duì)緩沖電路的要求是：1、盡量減小主電路的布線電感l(wèi)。2、吸收電容應(yīng)采用低感（最好無感）吸收電容，它的引線應(yīng)盡可能

10、短，最好直接接在igbt的端子上。3、吸收二極管應(yīng)選用快開通和軟恢復(fù)二極管，以避免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)引起的較大振蕩電壓。在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)電路，抑制igbt關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓，在裝配時(shí)，要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感，接線越短越好，越粗越好。rc吸收回路的作用，一是為了對(duì)感性器件在電流瞬變時(shí)的自感電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行鉗位，二是抑制電路中因?qū)ζ骷鸬臎_擊，在感性負(fù)載中，開關(guān)器件關(guān)斷的瞬間，如果此時(shí)感性負(fù)載的磁通不為零，根據(jù)愣次定律便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，對(duì)外界辭放磁場(chǎng)儲(chǔ)能，為簡(jiǎn)單起見，一般都采用rc吸收回路，將這部份能量以熱能的方式消耗掉。緩沖電路的作用有:(1)抑

11、制過電壓(2)減小功率開關(guān)管損耗(3)限制電壓上升率(4)消除電磁干擾4 三電平逆變器緩沖電路三電平逆變器的開關(guān)順序，為達(dá)到+1，0，-1的三序如圖所示：電平結(jié)果，四個(gè)管子的導(dǎo)通順序。圖4.1開關(guān)管的導(dǎo)通順序圖4.2一種較簡(jiǎn)單的三電平igbt緩沖電路介紹兩種三電平逆變器的緩沖電路，一種是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的，如圖所示，rcd緩沖電路和t1及t4并聯(lián)。介紹緩沖器的工作過程，因?yàn)槠匠ｋ娐贩秩?，每相的工作情況類似，就一個(gè)橋臂來進(jìn)行說明，由圖中可以看到t1，t4是對(duì)稱的，方便起見，只介紹t1、t2、t3的開通和關(guān)斷時(shí)電路的工作過程。（1）關(guān)斷t1，原來是t1、t2都導(dǎo)通，現(xiàn)在關(guān)斷t1，t2還處于開通狀態(tài)，

12、電路的走向如紅線所示。cs1支路電流迅速上升，在t1上產(chǎn)生第一個(gè)尖峰電壓。然后 iac給cs1充電直至其電壓為vdc1。當(dāng)cs1電壓大于vdc1時(shí)，dc1導(dǎo)通，cov1能夠吸收主電路雜散電感中的能量, 從而減少t1上的過電壓。（2）開通t3之前t2一直導(dǎo)通，cs1的電壓為 vdc1，cs2 的電壓為vdc2，沒有變化。 (3)此時(shí)關(guān)斷 t3，因?yàn)楸緵]有電流流經(jīng) t3，所以電路沒有變化。（4）開通 t1，其之前的狀態(tài)是只有t2導(dǎo)通，此時(shí)開通t1，cs1經(jīng)由t1回路放電，i ac轉(zhuǎn)移到t1支路，在此過程中，cs2從不放電。（5）關(guān)斷t2，此前是t2、t3導(dǎo)通，在t2的電流的下降時(shí)間里，i ac轉(zhuǎn)移

13、到db3和 cs2支路中，t2完全關(guān)斷后 ，cs2開始放電,當(dāng) t4上電壓降為0 時(shí)，db4開始導(dǎo)通。最終 i ac 流經(jīng) db3 和 db4 , t2 上的電壓超過 vd2 時(shí), cov2鉗制過電壓，cs1從不放電。（6）開通 t2 ，此前t3是導(dǎo)通的 i ac 轉(zhuǎn)移到dc1和t2支路 ，同時(shí)cs2 也要通過dc1和 t2支路充電，直至其電壓為vdc2 。最終cs1的電壓為vdc1, cs2的電壓為vdc2 。以上電路是應(yīng)用于三電平 igbt 變流器的最簡(jiǎn)單的緩沖電路，充分利用了三電平結(jié)構(gòu)的特性 ,靠外部電容cs1和cs2的充放電來鉗制內(nèi)部 igbt上的電壓，使之不突變。cov1和cov2的作用是吸收主回路雜散電感上的能量，從而鉗制過電壓；所以 cov1和cov2要盡量靠近橋臂側(cè)。關(guān)斷t1時(shí)，t1上的過電壓很小是因?yàn)閏s1和cov1的吸收作用，關(guān)斷t3時(shí)t3上基本沒有過電壓是由于三電平特殊結(jié)構(gòu)的作用。圖4.3 能嵌位過電壓的三電平逆變器緩沖電路接下來是一種能鉗制過電壓三電平 igbt的緩沖電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，此圖中考慮了雜散電感，此緩沖電路結(jié)構(gòu)較第一個(gè)所示緩沖電路復(fù)雜，且要考慮更多的雜散電感，但這種電路可以鉗制t1和t4 上的過電壓。cov1和 cov2主要用于鉗制過電壓，它只在吸收雜散電感能量時(shí)起作用，它的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 cs1和 cs2。