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1、上海大学 2012-2013 学年秋季学期研究生课程考试小论文课程名称： 新型电力电子器件与变换技术 课程编号： 09SAW9007 论文题目: 三电平逆变器缓冲吸收电路的原理和设计 姓 名: 杨银莎 学 号: 12721145 论文评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: 三电平逆变器缓冲吸收电路原理和设计杨银莎 （上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：本文为了得到三电平逆变器缓冲电路模型，首先介绍了三电平逆变器的基本工作原理，然后针对IGBT器件产生过电压需要缓冲电路的事实，给出了几种常见的缓冲电路模型及其原理，根据过电压产生的机理说明了线路的布置特点，最后给出了两种常见缓
2、冲电路一种不会出现电压不平衡，另一种钳制过电压，并对其工作过程缓冲结果进行了说明。关键字：三电平逆变器 缓冲电路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的应用中，随着电压、电流、频率的不断增加，对IGBT的保护显得尤为重要，而缓冲电路的作用就更
5、加明显。针对曾经出现的由于缓冲电路使各开关器件上电压不均的情况本文提出了一种没有电压不均的最简单的缓冲电路模型，同时针对每个开关管的过电压都做了钳制效应的缓冲电路。1 三电平逆变器工作原理三电平电路的基本原理，如图1.1是二极管嵌位式三电平逆变器，从一个桥臂出发，给T1、T2导通触发脉冲，T3、T4关断时，A输出电压U=Udc/2，A相输出电压U=0。给T3、T4导通触发脉冲，T1、T2关断时，A相输出电压U=Udc/2。图1.1 二极管嵌位式三电平逆变器2 缓冲电路的类型及其作用器件损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量di/dt、dv/dt或瞬时功耗的危害而造成的。缓冲电路的作用，就是改
6、变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。缓冲电路的基本类型有四种：C缓冲电路，把电容和器件并联。RC缓冲电路，把RC串联电路和开关器件并联。RCD缓冲电路和放电阻止型RCD缓冲电路如图所示。其各自特点及应用条件：C缓冲电路： 采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，用作对瞬变电压有效而低成本的控制，接在C1和E2之间（两图2.1 C缓冲电路 图2.2 RC缓冲电路图2.3 RCD缓冲电路 图2.4 放电阻止型RCD缓冲电路单元模块）或P和N之间（六单元模块），缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡。RC缓冲电路：其特点是适用于斩波
7、电路，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻的阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，使IGBT的功能受到一定限制。RCD缓冲电路：与RC缓冲电路相比，其特点是增加了缓冲二极管，从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。适用于较大功率IGBT模块，缓冲二极管D可箝制瞬变电压，从而能抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3。放电阻止型RCD缓冲电路：与RCD缓冲电路相比，其特点是产生的损耗小，适合于高频开关。3 IGBT缓冲电路IGBT采用缓冲电路后典型关断电压波形如图所示。图3.1采用缓冲电路后IGBT关断波形图中，VCE起始部分的毛刺是由缓
8、冲电路的寄生电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。其值由下式计算： （1） 式中：为缓冲电路的寄生电感； 为关断瞬间或二极管恢复瞬间的电流上升率，其最恶劣的值接近0.02Ic（A/ns）。如果已被设定，则可由式（1）确定缓冲电路允许的最大电感量。例如，设某IGBT电路工作电流峰值为400A，100V。 则在最恶劣情况下， =0.02400=8A/ns 由式（1）得 =100/8=12.5nH 图中是随着缓冲电容的充电，瞬态电压再次上升的峰值，它与缓冲电容的值和母线寄生电感有关，可用能量守恒定律求值。如前所述，母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感，在IGBT开通时储存的能量要转储在缓冲电容中，
9、因此有 （2）从式（1）和式（2）不难看出，大功率IGBT电路要求母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感愈小愈好。这不仅可以降低，而且可以减小缓冲电容C的值，从而降低成本。实际的功率电路设计中可采用以下措施来减小所需电容值。采用平板式汇流母线, 正负极重叠在一起, 中间用绝缘板隔开, 以获得最小母线寄生电感。因为C值与关断电流的平方成正比,所以采取必要的限流技术来限制功率电路的最大电流。因为C值反比于的平方, 所以若允许与IGBT的VCE之间有一定的裕度则可使缓冲电容值明显减小。对缓冲电路的要求是：1、尽量减小主电路的布线电感L。2、吸收电容应采用低感（最好无感）吸收电容，它的引线应尽可能
10、短，最好直接接在IGBT的端子上。3、吸收二极管应选用快开通和软恢复二极管，以避免产生开通过电压和反向恢复引起的较大振荡电压。在电路设计中应根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，抑制IGBT关断时的浪涌电压，在装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接线越短越好，越粗越好。RC吸收回路的作用，一是为了对感性器件在电流瞬变时的自感电动势进行钳位，二是抑制电路中因对器件所引起的冲击，在感性负载中，开关器件关断的瞬间，如果此时感性负载的磁通不为零，根据愣次定律便会产生一个自感电动势，对外界辞放磁场储能，为简单起见，一般都采用RC吸收回路，将这部份能量以热能的方式消耗掉。缓冲电路的作用有:(1)抑
11、制过电压(2)减小功率开关管损耗(3)限制电压上升率(4)消除电磁干扰4 三电平逆变器缓冲电路三电平逆变器的开关顺序，为达到+1，0，-1的三序如图所示：电平结果，四个管子的导通顺序。图4.1开关管的导通顺序图4.2一种较简单的三电平IGBT缓冲电路介绍两种三电平逆变器的缓冲电路，一种是结构比较简单的，如图所示，RCD缓冲电路和T1及T4并联。介绍缓冲器的工作过程，因为平常电路分三相，每相的工作情况类似，就一个桥臂来进行说明，由图中可以看到T1，T4是对称的，方便起见，只介绍T1、T2、T3的开通和关断时电路的工作过程。（1）关断T1，原来是T1、T2都导通，现在关断T1，T2还处于开通状态，
12、电路的走向如红线所示。Cs1支路电流迅速上升，在T1上产生第一个尖峰电压。然后 Iac给Cs1充电直至其电压为Vdc1。当Cs1电压大于Vdc1时，DC1导通，Cov1能够吸收主电路杂散电感中的能量, 从而减少T1上的过电压。（2）开通T3之前T2一直导通，Cs1的电压为 Vdc1，Cs2 的电压为Vdc2，没有变化。 (3)此时关断 T3，因为本没有电流流经 T3，所以电路没有变化。（4）开通 T1，其之前的状态是只有T2导通，此时开通T1，Cs1经由T1回路放电，I ac转移到T1支路，在此过程中，Cs2从不放电。（5）关断T2，此前是T2、T3导通，在T2的电流的下降时间里，I ac转移
13、到DB3和 Cs2支路中，T2完全关断后 ，Cs2开始放电,当 T4上电压降为0 时，DB4开始导通。最终 I ac 流经 DB3 和 DB4 , T2 上的电压超过 Vd2 时, Cov2钳制过电压，Cs1从不放电。（6）开通 T2 ，此前T3是导通的 I ac 转移到Dc1和T2支路 ，同时Cs2 也要通过DC1和 T2支路充电，直至其电压为Vdc2 。最终Cs1的电压为Vdc1, Cs2的电压为Vdc2 。以上电路是应用于三电平 IGBT 变流器的最简单的缓冲电路，充分利用了三电平结构的特性 ,靠外部电容Cs1和Cs2的充放电来钳制内部 IGBT上的电压，使之不突变。Cov1和Cov2的
14、作用是吸收主回路杂散电感上的能量，从而钳制过电压；所以 Cov1和Cov2要尽量靠近桥臂侧。关断T1时，T1上的过电压很小是因为Cs1和Cov1的吸收作用，关断T3时T3上基本没有过电压是由于三电平特殊结构的作用。图4.3 能嵌位过电压的三电平逆变器缓冲电路接下来是一种能钳制过电压三电平 IGBT的缓冲电路，其拓扑结构如图所示，此图中考虑了杂散电感，此缓冲电路结构较第一个所示缓冲电路复杂，且要考虑更多的杂散电感，但这种电路可以钳制T1和T4 上的过电压。Cov1和 Cov2主要用于钳制过电压，它只在吸收杂散电感能量时起作用，它的值远远大于 Cs1和 Cs2。 其过电压的嵌位作用如图所示图4.4 嵌位过电压波形参考文献：1 陈坚，康勇电力电子学电力电子变换和控制技术(第三版)M.北京：高等教育出版社，20112 赵正毅，杨潮，赵良炳对三电平IGBT变流器两种缓冲电路的研究，中国电机工程学报J 20003 周跃庆，尹中明一种新型IGBT缓冲电路的研究J 电焊机，20044 赵正毅，魏念荣，赵良炳，韩英铎一般缓冲电路的模型及三电平IGBT变流器内外元件电压不平衡机理，中国电机工程学报J 2000
