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武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名专业班级自动化指导教师工作单位自动化学院设计(论文)题目: IGBT特性研究及驱动、缓冲电路设计设计（论文）主要内容：了解和熟悉目前国内外IGBT产品现状和技术现状，分析IGBT结构、工作原理以及工作特性。
研究和设计多种IGBT驱动电路、保护电路，并对比分析。
针对具体一款IGBT FF600R06ME3设计其驱动电路及缓冲电路。
要求完成的主要任务:1．了解研究IGBT的目的以及意义，产品和技术的发展现状；2．IGBT驱动电路的设计；3．IGBT保护、缓冲电路的设计；4. 针对FF600R06ME3 IGBT设计其驱动电路，要求正向开通电压15V，反向截止电压-15V，工作频率≤20K，可驱动IGBT承受导通电流600A，耐压600V。
5．撰写毕业设计论文，字数不低于15000左右；6．完成外文文献翻译2万字符（其中汉字5000字）。
必读参考资料：[1] 王兆安.电力电子技术[m].北京:机械工业出版社,2008.[2] 周志敏.IGBT和IPM及其应用电路[m].北京:人民邮电出版社,2006.[3] 王飞军.IGBT关断特性分析及设计优化问题[D].浙江大学微电子与半导体系,1990.[4] 陈去非.绝缘栅双极晶体管（IGBT）的研究—静态、动态和终端模型及优化设计[D].浙江大学:电力电子技术,1993.[5] 李岳生.IGBT开关磁阻电动机调速系统研究[D].上海工业大学:工业自动化,1994.指导教师签名：系主任签名：院长签名(章)：武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告目录1．了解研究IGBT的目的以及意义，产品和技术的发展现状； (I)摘要 (1)ABSTRACT (2)1 绪论 (1)引言 (1)课题研究意义 (2)研究现状 (3)1.3.1 产品现状 (3)1.3.2 技术现状 (4)主要研究内容 (5)2 IGBT工作原理及特性研究 (6)IGBT的定义 (6)IGBT的结构和工作原理 (7)2.2.1 IGBT的结构 (7)2.2.2 IGBT的工作原理 (7)IGBT工作特性 (9)2.3.1 静态特性 (9)2.3.2 动态特性 (10)2.3.3 IGBT的开通与关断 (11)3 IGBT驱动及缓冲 (12)IGBT驱动电路的选择 (12)门极驱动的要求及电路设计 (14)3.2.1 栅极驱动电压 (14)3.2.2 对电源的要求 (14)3.2.3 对驱动波形的要求 (15)3.2.4 对驱动功率的要求 (15)3.2.5 栅极电阻 (15)3.2.6 栅极布线要求 (15)3.2.7 隔离问题 (16)典型的门极驱动电路介绍 (16)3.3.1 脉冲变压器驱动电路 (16)3.3.2 光耦隔离驱动电路 (17)3.3.3 驱动模块构成的驱动电路 (17)大功率IGBT驱动保护电路的分类 (18)3.4.1 单一功能型 (19)3.4.2 多功能型 (19)3.4.3 全功能型 (21)大功率IGBT驱动保护电路的功能 (22)3.5.1 隔离功能 (23)3.5.2 死区隔离功能 (23)3.5.3 驱动功率的缓冲功能 (24)针对FF600R06ME3这款IGBT设计的驱动电路 (24)4 IGBT保护电路的设计 (26)IGBT栅极的保护 (26)集电极与发射极间的过压保护 (26)4.2.1 直流过电压 (27)4.2.2 浪涌电压的保护 (27)集电极电流过流保护 (28)过热保护 (29)5 全文总结及展望 (30)致谢 (31)参考文献 (32)摘要全文首先对IGBT的产生和发展过程做了一个大致的介绍，重点突出了IGBT 发展的路线，智能化、模块化成为IGBT发展热点。
IGBT缓冲电容及电路1 引言众所周知，在电力电子功率器件的应用电路中，无一例外地都要设置缓冲电路，即吸收电路。
因为全控制器件在电路工作时莫名其妙损坏的原因虽然很多，但缓冲电路和缓冲电容选择不当是不可忽略的重要原因所在。
2 缓冲原理电路中器件的损坏，一般都是在器件在开关过程中遭受了过大的di/dt,dv/dt或瞬时功耗的冲击而造成的。
缓冲电路的作用就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态时的过电压，以降低器件开关损耗来确保器件的安全。
图所示为GTR在驱动感性负载时的开关波形。
不难看出，在开通和送断过程中的某一时刻，GTR集电极电压Uc和集电极电流ic将同时达到最大值，此时瞬时功耗也最大。
加入缓冲电路可将这一开关功耗转移到相关的电阻上消耗掉，从而达到保证器件安全运行的目的。
通用的IGBT缓冲电路有如下图所示的三种形式。
其中，图（a）为单只低电感吸收电容构成的缓冲电路，适用于小功率IGBT 模块，用来对瞬变电压有效时的低成本控制，使用时一般将其接在C1和E2之间（两单元模块）或P和N之间（六单元模块）。
图4(b)为RCD构成的缓冲电路，适用于较小功率的IGBT模块，缓冲二极管D可箝住瞬变电压，以抑制由于母线寄存电感引起的寄存振荡。
其RC时间常数应设计为开关周期的1/3，即τ=T/3=1/3f。
图4（c）为P型RCD和N 型RCD构成的缓冲电路，适用于大功率IGBT模块，其功能类似于图4（b）缓冲电路，但其回路电感更小。
若同时配合使用图4(a)缓冲电路，则可减小缓冲二极管的应力，从而使缓冲效果达到最佳。
IGBT采用缓冲电路后的典型关断电压波形如图5所示。
图中，VCE起始部分的毛刺ΔV1是由缓冲电路的寄存电感和缓冲二极管的恢复过程引起的。
其值由下式计算：ΔV1=Lsdi/dtXK推出新款高性能镀金属聚丙烯膜缓冲电容器---XK Roederstein MMKP81，该器件可直接安装在绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块上，容量从0.047μF到10μF，可在+105℃高温下工作，有700VDC～2500VDC和420VAC～800VAC共7个电压等级。
IGBT强驱动电路的设计变压器隔离全桥电路根据脉冲渗碳电源要求，设计一种具有高可靠性、倌号传输无延迟、驱动能力强等特点的IGBT 强驱动电路，详细分拼了工作原理，对电路测试中出现的电流尖峰进行了抑制。
在此基础上得出几个主要影响驱动电路的因素。
实际用于大功率IGBT桥电路驱动，工作稳定可靠。
结果表明，所设计的电路结构简单，驱动能力强，可靠性高，且对用变压器驱动大功率全桥电路有通用性。
在脉冲电源中，驱动电路的好坏直接关系到逆变器能否正常工作。
好的驱动电路首先要保证开关管安全，其次还要使开关管具有较小的损耗。
这两者之间又是矛盾的。
因为由功率开关元件引起的损耗主要是开关损耗（开通损耗和关断损耗）。
开关损耗与驱动脉冲信号的上升沿陡度和下降沿陡度有很大关系。
下降沿和上升沿越陡，相应的开关损耗就越小，即电压和电流重迭的时间越短。
但是较陡的上升沿和下降沿又会产生过大冲击电流和电压尖峰，威胁开关管的安全王作。
因此要实现电源安全且高效率的工作，就要抑制或吸收这些电流和电压尖峰。
这里给出了一种变压器驱动的大功率IGBT模块电路，它既具有较强的驱动能力，又能很好地吸收电压和电流尖峰。
1 驱动电路神分析及此种驱动电路存在问题在中频脉冲渗碳电源中，能怏速进行过流保护是至关重要的，而驱动脉冲无延迟地传输，对实时过流保护起至关重要作用；同时为了减少开关损耗，还要求很陡的驱动脉冲上升沿和下降沿；一些特殊场合要求紧凑而简洁、不附加驱动电源等。
综合考虑以上要求，采用变压器隔离全桥驱动电路。
其电路如图1所示。
图1中两个桥臂各远两一个N－MOSFET和一个P－MOSFET。
两路PWM控鼠信号1或2为高电平时，即1为高电平，2为低电平。
Q1和Q4关断，Q2和Q3导通，Q5开通。
此时，Q2 ，Q3和T1的原边绕组就形成通路，脉冲电压加在T1的原边。
相应的次边会得动驱动脉冲信号。
1，2都为低电平时。
Q1、Q2会同时导通，T1原边被短路，则次边无脉冲输出。
IGBT逆变器缓冲电路的设计
孙强;周永明
【期刊名称】《电工技术》
【年(卷),期】2002(000)012
【摘要】分析了IGBT逆变器缓冲电路的工作原理,推导出缓冲电路各元件的参数计算公式,预见了缓冲电路在关断过程中的2次电压尖峰,并对其仿真验证.
【总页数】3页(P30-32)
【作者】孙强;周永明
【作者单位】西安理工大学西安,710048;西安理工大学西安,710048
【正文语种】中文
【中图分类】TM4
【相关文献】
1.高频条件下对IGBT逆变器缓冲电路的改进 [J], 王鹏程;郑建勇
2.IGBT过电压产生机理分析及RC缓冲电路的设计 [J], 姜栋栋;王烨;卢峰
3.配电系统电子电力变压器的IGBT缓冲电路设计 [J], 曹解围;毛承雄;陆继明;王丹
4.改进型IGBT逆变器缓冲电路的设计与仿真 [J], 王鹏程;郑建勇;尤鋆
5.高频逆变器IGBT的缓冲电路的优化设计与仿真 [J], 李盼盼;高俊岭
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IGBT驱动电路设计与保护IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种高性能和高压能力的功率开关器件，用于大功率电力电子应用中。
IGBT驱动电路的设计和保护是确保IGBT正常工作和延长其寿命的重要环节。
1.电源设计：稳定和干净的电源是驱动电路的基础。
通常使用稳压电源或者电容滤波器来给驱动电路和IGBT供电，以避免干扰和噪声的影响。
2.信号隔离：为了保护驱动电路和IGBT，通常需要使用光耦隔离器或者磁隔离器来实现输入和输出电路的电气隔离。
这样可以防止高压和高电流反馈到驱动电路中，从而保护驱动电路的安全。
3.输入信号处理：驱动电路通常需要接收和处理外部的控制信号，例如PWM信号和开关信号。
可以使用电平转换电路、滤波器和放大器等电路来进行信号处理，以确保信号的正确控制和稳定性。
4.输出信号驱动：驱动电路需要能够提供足够的电流和电压来驱动IGBT控制端的输入电容，以确保IGBT在开关过程中快速和稳定地工作。
这通常需要使用功率放大器和驱动电流放大器来提供所需的输出能力。
5.过温保护：IGBT在高功率运行时会产生热量，超过一定温度会导致器件变性或烧毁。
因此，驱动电路中需要设计过温保护电路，用于监测和控制IGBT的温度。
当温度过高时，过温保护电路会触发警报或者切断电源，以保护IGBT的安全。
6.过电流保护：IGBT在工作过程中可能会遭受过电流冲击，例如短路故障。
为了保护IGBT不受损坏，驱动电路需要设计过电流保护电路，可以监测和控制IGBT的电流。
当电流超过设定值时，过电流保护电路会触发警报或者切断电源，以保护IGBT的安全。
7.过压保护：在一些情况下，如电源故障、反馈开关失效等，IGBT 可能会受到过高的电压冲击。
为了保护IGBT不受损坏，驱动电路需要设计过压保护电路，可以监测和控制IGBT的电压。
当电压超过设定值时，过压保护电路会触发警报或者切断电源，以保护IGBT的安全。
![IGBT保护电路设计[方案]](https://img.taocdn.com/s1/m/429c27c432d4b14e852458fb770bf78a65293a7a.png)
关于IGBT保护电路设计必知问题绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT）是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点．是取代GTR的理想开关器件。
IGBT目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。
IGBT的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT损坏，本文主要研究了IGBT 的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。
二IGBT的驱动要求和过流保护分析1 IGBT的驱动IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。
（1）门极电压任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。
这个值足够令IGBT饱和导通；使导通损耗减至最小。
虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
（2）门极串联电阻心选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要，Rg对开关损耗的影响见图1。
图1 Rg对开关损耗的影响IGBT的输入阻抗高压达109~1011，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。
其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。
为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg 增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少RF又会使di／dt增高，可能损坏IGBT。
IGBT无损缓冲吸收电路设计1 IGBT无损吸收网络工作在硬开关方式下的IGBT，若不断地提高其工作频率会引起以下问题。
1）开关损耗大。
开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。
电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。
2）感性关断电压尖峰大。
当器件关断时，电路中的感性元件感应出尖峰电压。
开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。
此电压加在开关器件两端，易造成IGBT模块击穿。
3）容性开通电流尖峰大。
当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。
频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而会引起IGBT器件过热损坏。
另外，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，开关管在此期间的开通动作易产生很大的冲击电流。
频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。
4）电磁干扰严重。
随着频率提高，电路中的di/dt和du/dt增大，从而使电磁干扰增大，影响变换器和周围电子设备的工作。
上述问题严重妨碍了开关器件工作频率的提高，降低变换器的效率，并危及开关器件的安全可靠工作。
近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效途径。
软开关工方式与硬开关工作方式不同，理想的零电流软关断过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。
由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。
理想的零电压软开通过程是电压先降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容上的电压亦为零，解决了容性开通问题。
同时，开通时二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管反向恢复问题亦不存往。
di/dt和du/dt的降低使得EMI问题得以解决。
软开关技术实际上是利用电容与电感缓冲吸收原理，使开关器件中电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化。
当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通-实现开关损耗为零。
大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究1. 本文概述随着现代电力电子技术的快速发展，大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块在电力系统、工业控制、新能源等领域中发挥着越来越重要的作用。
特别是在高电压、大电流的应用场合，单个IGBT模块往往难以满足系统的功率需求，将多个IGBT模块并联使用成为了一种常见的解决方案。
IGBT模块在并联运行时会出现诸如均压均流问题、热平衡问题以及开关特性不一致等问题，这些问题不仅影响系统的稳定性和可靠性，还可能缩短模块的寿命。
本文针对大功率IGBT模块并联运行时的特性和问题展开研究，重点分析并联模块之间的电压和电流分配不均的机理，以及由此引发的热平衡问题和开关特性不一致现象。
进一步地，本文将探讨缓冲电路的设计和优化，以解决并联运行中的这些问题。
缓冲电路能够有效地抑制电压和电流的峰值，降低开关过程中的损耗，从而提高系统的效率和可靠性。
本文将通过理论分析和仿真验证，提出一种适用于大功率IGBT模块并联运行的缓冲电路设计方案，并对该设计方案的性能进行评估。
本文的结构安排如下：介绍IGBT模块的基本原理和工作特性，以及并联运行时的问题和挑战分析并联模块间电压和电流分配不均的机理，以及热平衡问题和开关特性不一致现象的产生原因接着，详细阐述缓冲电路的设计原理和优化方法通过仿真实验验证所提出缓冲电路设计方案的有效性和可行性总结全文并提出进一步的研究方向。
2. 模块基础理论绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种高压、大电流的功率半导体器件，广泛应用于电力电子装置中。
IGBT模块的工作原理涉及三个基本过程：导通、截止和开关。
在导通状态下，IGBT作为一个功率开关，允许电流流过而在截止状态下，则阻止电流流过。
IGBT的开关速度和效率是其关键性能指标。
当IGBT模块并联使用时，可以实现更高的功率输出。
模块间的并联特性对整体性能有显著影响。
详解IGBT及其逆变器缓冲定律！IGBT在逆变电路中的设计与仿真：1. 前言全侨式逆变电路应用广泛，国内外许多厂家的焊机都采用此主电路结构。
全桥式电路的优点是输出功率较大，要求功率开关管耐压较低，便于选管。
在硬开关侨式电路中，IGBT在高压下导通，在大电流下关断，处于强迫开关过程，功率器件IGBT能否正常可靠使用起着至关重要的作用。
驱动电路的作用就是将控制电路输出的PWM信号进行功率放大，满足驱动IGBT的要求。
其性能直接关系到IGBT的开关速度和功耗、整机效率和可靠性。
随着开关工作频率的提高，驱动电路的优化设计更为重要。
2. 硬开关全桥式电路工作过程分析全桥式逆变主电路由功率开关管IGBT和中频变压器等主要元器件组成，如图1所示快速恢复二极管VD1~VD4与lGBT1～IGBT4反向并联、承受负载产生的反向电流以保护IGBT。
IGBT1和IGBT4为一组，IGBT2和IGBT3为一组，每组IGBT同时导通与关断，当激励脉冲信号轮流驱动IGBT1、IGBT4和IGBT2、IGBT3时，逆变主电路把直流高压转换为20 kHz的交流电压送到中频变压器，经降压整流滤波输出。
图1 全桥式逆变电路全桥式逆变器的一大缺陷就是存在中频变压器偏磁问题，正常工作情况下，功率开关器件在工作前半周与后半周导通脉宽相等，饱和压降相等，前后半周交替通断，变压器磁心中没有剩磁。
但是，如果IGBT驱动电路输出脉宽不对称或其他原因，就会产生正负半周不平衡问题，此时，变压器内的磁心会在某半周积累剩磁，出现“单向偏磁”现象，经过几个脉冲，就可以使变压器单向磁通达到饱和，变压器失去作用，等效成短路状态。
这对于IGBT来说，极其危险，可能引发爆炸。
桥式电路的另一缺点是容易产生直通现象。
直通现象是指同桥臂的IGBT在前后半周导通区间出现重叠，主电路板路，巨大的加路电流瞬时通过IGBT。
针对上述两点不足，从驱动的角度出发、设计的驱动电路必须满足四路驱动的波形完全对称，严格限制最大工作脉宽，保证死区时间足够，3. IGBT的开关过程动态分析IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，其驱动与MOSFET 驱动相似，是电压控制器件，驱动功率小。
IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试该文章讲述了IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试应用1 引言（欢迎来电咨询网址：变频器维修|电话：）IGBT集功率MOSFET和双极型功率晶体管的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快且通态压降低，易高压大电流等特点。
在IGBT的应用中，驱动和保护一直都是研究的关键技术，特别是过流保护方面。
IGBT 器件本身以及它在电路中运行条件的特点，决定了其过流保护和其他开关器件相比有很大的差别。
IGBT的过流保护电路直接关系到整个系统的工作性能和运行安全。
2 IGBT驱动电路IGBT的开关特性由图1所示IGBT的等效电路和器件的内部结构可知，IGBT的开关控制是通过和MOSFET类似的栅极结构来完成的，因此IGBT和MOSFET的开关过程大致相似。
图2为IGBT硬开关时VGE、ICE和VCE的波型。
开通时，当VGE达到开通门限后，到t2时间，ICE达到最大值，VCE下降过程中，由于和MOSFET一样的密勒电容CGC的作用，栅极电压基本恒定，延缓了IGBT的开通过程，当VCE下降结束，ICE达到稳态值，CGC 作用消失，VGE以较快的上升率达到最大值。
为了降低此效应，应该使栅极驱动源的内阻足够小，增加流经CGC的电流，加快开通速度。
关断时，同样由于密勒电容的效应，当VCE上升的过程中，VGE有一段近似恒定的时间，影响关断的过程。
另外，由于IGBT是双极性器件，在关断过程中有一个少子复合过程，造成关断时的拖尾电流，这是IGBT和MOSFET开关最大的不同点，如图2所示，这也是影响IGBT工作频率的最主要原因。
IGBT驱动电路的要求开通正栅压（欢迎来电咨询网址：变频器维修：）IGBT静态特性曲线所示，IGBT正栅压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小。
但是，如果VGE过大，一但IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。
配电系统电子电力变压器的IGBT缓冲电路设计①曹解围,毛承雄,陆继明,王 丹(华中科技大学电气与电子工程学院,武汉430074)摘要:针对配电系统电子电力变压器的特点,提出功率开关器件IGBT缓冲电路的设计方法,包括缓冲电路类型的选择及参数的计算方法。
在此基础上,针对几种电路结构和参数进行仿真,比较了它们各自的特性,总结出最佳吸收方案。
仿真表明,所设计的缓冲电路能够有效钳制IGBT关断时的电压变化率和过电压。
关键词:绝缘栅极晶体管;缓冲电路;电子电力变压器中图分类号:TM71 文献标识码:A 文章编号:100328930(2005)0620071204D esign of IGBT Snubbers for Electron ic PowerTran sform er i n D istr ibution SystemCAO J ie2w ei,M AO Cheng2x i ong,LU J i2m ing,W AN D an(Schoo l of E lectrical and E lectron ic Engineering,H uazhong U n iversity ofScience and T echno logy,W uhan430074,Ch ina)Abstract:T h is paper p resen ts the design m ethod of h igh pow er IGBT snubbers fo r electron ic pow er tran sfo rm er in distribu ti on system,w h ich includes choo sing the type of snubbers and param eters calcu lating. Si m u lati on is carried ou t fo r each k ind of topo logy and param eter,the characteristics of differen t circu its are analyzed and compared,and then op ti m al schem e is summ arized.Si m u lati on resu lts show that the snubbers can effectively restrict the du dt and the over2vo ltage acro ss the IGBT w hen tu rned off.Key words:in su lated gate b i po lar tran sisto r(IGBT);snubber;electron ic pow er tran sfo rm er(EPT)1 前言 电子电力变压器EPT是一种新型的电力变压器,它通过大功率电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递[1,2]。
常用的全控型电力电子开关器件有GTO、IGCT和IGB T等,IGBT具有输入阻抗高、饱和压降低、开关速度高等优点,比较适合在几千kVA的中频电力电子装置中使用。
电子电力变压器正采用高压大功率IGBT作为开关器件。
缓冲电路(Snubber)又称吸收电路,主要作用是减小IGB T在开关过程的电压尖峰、电压变化率du dt及开关损耗,因此合理设计缓冲电路是电子电力变压器安全可靠工作的重要保证。
10kV 400V配电系统电子电力变压器高压侧电压高、电流小,低压侧电压低、但是电流非常大,因此缓冲电路的设计有其独特性。
本文结合电子电力变压器的结构特点,分别设计高压侧和低压侧IGBT的缓冲电路,并进行仿真计算,给出IGBT 相应缓冲电路的形式和参数。
实例表明,这种缓冲电路能有效吸收过电压,可靠性高,实用价值大。
2 缓冲电路的功能及类型电力电子器件工作于高频开关状态,开关过程中电压、电流变化率极大,容易造成过电压、过电流,并增大开关损耗。
缓冲电路是器件安全运行的重要环节,其作用主要是:1)减小开关过程应力,即抑制电压变化率d u d t,电流变化率d i d t;2)改变器件的开关轨迹,使器件工作于安全工作区内,避免过电压、过电流损坏;3)减小器件的开关损耗[3]。
常见的缓冲电路有如下三种形式,见图1。
三种缓冲电路共同特点是缓冲电容C s的电压等于直流电压,在下次关断前仅电压过冲部分的能量回馈电源(部分消耗在电阻),就可避免电容过多的充放电使缓冲电路有较低的功耗。
其中 型电第17卷第6期2005年12月 电力系统及其自动化学报P roceedings of the CSU2EPSAV o l.17N o.6D ec. 2005①收稿日期:2005201210;修回日期:2005203229路由一个无感电容组成,电容直接固定在IGB T 模块上,电路结构简单,成本低且能有效抑制尖峰电压。
但随着功率级别的增加,可能会同母线寄生电感做减幅震荡。
型电路使用快速二极管VD 钳位瞬变电压,既可抑制震荡发生,又增大了缓冲电阻值,可用于中大容量器件。
R C 时间常数设计为开关周期的1 3,以保证缓冲电容上的吸收尖峰电压在每一开关周期内通过电阻放掉,但是缓冲电路的损耗很大。
或 型适合于10～100A 的6单元模块, 型适合于150～300A 的两单元模块, 型既能抑制关断浪涌电压,缓冲电路的损耗又很小,适合于400A 以上的一单元模块。
图1 三种形式的缓冲电路Fig .1 Three types of snubbers3 EPT 的缓冲电路设计3.1 EPT 的基本结构EPT 基本结构[2]如图2所示,它包括三个部分:高压级、隔离级和低压级。
其基本原理是通过电力电子变换将变压器原方的工频交流输入信号变换为高频信号,经高频变压器耦合到副方后,再经电力电子变换还原成工频交流输出。
图2 EPT 的一相拓扑结构F ig .2 Topology of EPT3.1.1 高压侧缓冲电路选择高压侧电压高,而电流只有几十安到一百安,因此选高压小电流的双IGBT 模块,集电极最大电流为200A 。
缓冲电路可选 型或 型电路,每个IGBT 模块加一个缓冲电路。
若线路杂散电感很小,基于成本的考虑可使用 型缓冲电路,即电容直接固定在IGBT 模块上;若线路电感较大,则可考虑使用 型缓冲电路或使用如图3所示缓冲电路,它是在 型缓冲电路中串联一个缓冲电阻。
图3 EPT 高压侧缓冲电路图F ig .3 C ircuit of snubber i n h igh -voltage st age of EPT 图3所示的缓冲电路中电阻上消耗的功率是型电路的2倍,但是它节约了成本,能有效地抑制振荡发生,而且没有因缓冲二极管反向恢复所引起的起始尖峰电压U cesp 。
3.1.2 低压侧缓冲电路选择低压侧电压低、电流大,达千安级。
因此选用低压大电流IGB T ,其最大集电极电流为1200A ,若选用 型或 型缓冲电路时,损耗将会很大。
为了较好地吸收电压尖峰及降低损耗,可选用 型缓冲电路。
由于稳态时C s 上的电压等于直流电压,R s 上的功率只是由过冲电压分量引起,使缓冲电路的损耗减小。
此外,C s 上的过冲能量只有部分损耗在R s 上,另一部分反馈到直流电源,缓冲电容的放电电流不经过IGB T ,因此缓冲电容的值可以选得大些,缓冲电阻的值可以选得小些,这样能更有效地抑制过冲电压及降低缓冲电阻上的损耗[5]。
3.2 缓冲电路参数设计如图4为IGBT 典型的关断电压波形。
起始尖峰电压是由缓冲电路的寄生电感和缓冲二极管反向恢复引起的。
第二次尖峰电压U cep 是在电容充电时产生的,主要是由缓冲电路和直流母线杂散电感引起的[3,4]。
1)缓冲电容C s根据能量守恒定律,杂散电感L s 引起浪涌电压的能量L s I 2 2可被缓冲电容C s 完全吸收,则有:・27・电力系统及其自动化学报 2005年第6期 L s I 20=C s ∃U 22(1)∃U =U CEP -U d(2)式中:L s 为母线杂散电感;I 0为器件最大工作电流;U CEP 为第二次峰值电压;U d 为直流电压。
当限定∃U ,而又已知杂散电感L s 时,可求得所需的缓冲电容为C s =L s I 20 ∃U 2(3)如果采用整体缓冲电路,通常以每100A 输出电流大约取1ΛF 的方法确定缓冲电路的电容量。
图4 I GBT 关断时的电压波形F ig .4 The waveform of snubber when theIGBT is turned off 2)缓冲电阻R s缓冲电阻的选取要满足两个方面的要求,一方面电阻值要足够大,以防止缓冲电容和寄生电感之间出现振荡,故取R s ≥2L s C s(4)另一方面,电阻值要小,以保证电容上积累的电荷在一个开关周期内可泄放90%以上,因此取R s ≤1 2.3C s f(5)式中,f 为开关频率。
电阻上的功耗与本身的阻值无关,可以由下式求得:P R s =C s ∃U 2f 2(6)3)缓冲二极管缓冲二极管应当选用过渡正向电压低、反向恢复时间短、反向恢复特性较软的规格。
在缓冲电路工作过程中,快恢复二极管的电流为i VD =i C s =I 0co s Ξ0t ,则快恢复二极管VD 对于三相电路共用一个缓冲电路时的额定电流为[6]I VD =2I 01T s (t f +0.25ΠΞ0)(7)式中:t f 为IGBT 关断时的下降时间;T s 为缓冲电路的工作周期,Ξ0=1 L s C s 。
4 仿真研究电子电力变压器的额定容量为1000kVA ,额定电压为10kV 400V ,取高压侧和低压侧直流电压分别为1600V 和500V ,IGB T 的开关频率f =1.5kH z 。
4.1 高压侧缓冲电路仿真高压侧采用如图3所示的缓冲电路进行仿真,取线路杂散电感L s =0.2ΛH ,尖峰电压限定为100V 。
根据式(3)～(5),取C s =1ΛF,R s ∈[0.28 2908],缓冲电阻功耗15W 。
如图5为C s =1ΛF,取不同电阻时的IGBT 关断电压波形。
从图可以看出,当缓冲电阻为零时,IGBT 关断时发生振荡;当缓冲电阻大于108时,电压尖峰较大,同时d u d t 很大,吸收效果差;而缓冲电阻为18时,尖峰很小,电容冲放电时间较短,有较好的吸收效果。
因此缓冲电阻宜在18附近取值。
图5 C s =1ΛF 时EPT 高压侧I GBT 关断电压波形F ig .5 Voltage wavefor m s of EPT h igh -voltage st agewith C s =1ΛF when the I GBT is turned off4.2 低压侧缓冲电路仿真低压侧采用 型缓冲电路进行仿真,取线路杂散电感L s =0.05ΛF 。
