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功率开关器件缓冲电路的分析与仿真 |
| 摘要：对功率开关器件缓冲电路的工作原理进行了分析，给出了缓冲电路关键器件参数值的选择方法，利用电路仿真软件Multisim对两种缓冲电路进行了仿真试验，分析了两种电路的异同并验证了其有效性。 关键词：功率开关器件 缓冲电路 仿真 中图分类号：TP319 Analysis and Simulation of Buffer Circuit for Power Switching Device Zhang Yang Qu Yanbin Li Junyuan （Department of information science and engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, 264209） 张扬 曲延滨 李军远 （哈尔滨工业大学（威海）信息科学与工程学院，264209） Abstract: The work principle of the buffer circuit for power switching device is studied. The choice of the main parts parameters is introduced. Schematic drawings of two kind of buffer circuit are built in the Multisim format and simulated. The similarities and differences between them are analyzed and the validities are proved. Keywords：Power Switching Device, Buffer Circuit, Simulation 1 引言 缓冲电路也称为吸收电路，其作用包括控制MOSFET、IGBT等功率开关器件的关断和续流二极管恢复浪涌电压、减少开关损耗、限制电压上升速率以及消除电磁干扰等几个方面[1]。在功率开关器件的应用中，随着电压、电流、频率的不断增加，对它的保护显得尤为重要，而缓冲电路的作用就更加明显。鉴于此，本文利用电路仿真软件Multisim对MOSFET逆变器缓冲电路的保护性能进行了分析和比较。 2 逆变器缓冲电路的工作原理及其改进 图1是逆变器中常见的三种缓冲电路，其共同特点是吸收电容CS的电压等于电源电压，下次关断前，电容电压过冲部分的能量一部分回馈电源，另一部分消耗在电阻上。简要分析图1（c）中缓冲电路的工作过程如下：
 （c） 图1 三种常见的缓冲电路原理图 理论分析和实践表明，图1（a）中的缓冲电路只在小功率等级时，对抑制瞬变电压非常有效。随着功率级别的增大，这种缓冲电路可能会与直流母线寄生电感LP产生振荡。在图1（b） 所示的缓冲电路中，利用快速恢复二极管DS可有效抑制瞬变电压，从而抑制谐振的发生。但在功率等级进一步增大时，该电路的回路寄生电感LS1则变得很大，不能有效抑制瞬变电压。对于大电流电路可采用图1（c）所示的缓冲电路，该电路可有效抑制振荡，且回路寄生电感较小。
 图2 一种电容可变的缓冲电路 3 缓冲电路关断波形及其元件的选择[3] 图3给出的是缓冲电路的典型关断波形。 应该注意的是，缓冲二极管应选用快速软恢复型，以避免关断时的严重振荡。缓冲电阻应选用无感电阻，以避免开通时发生振荡。 4 缓冲电路的仿真分析
仿真结果如图5所示，图中同时给出了无缓冲电路以及具有上述两种类型缓冲电路时开关器件的开通与关断波形（分别用1、2、3表示），为便于比较，对这三种情况下MOSFET的触发信号分别作了顺延处理。  （b） 开通波形 图5 MOSFET开关电压波形 由上图可见，在仿真参数完全一致的情况下，图2所示的缓冲电路在MOSFET关断时能有效抑制瞬态过电压，而当MOSFET闭合时，由于电路中CS2（CS5）的存在，能够在有限的时间内将缓冲电路中的电荷释放，有效避免了因CS与LS共振引起的振荡（图3中○B所指示的区域）。若需要调整放电时间，只需改变CS2（CS5）的值（如图5（b）中曲线4为电容取值为10nF时的波形）。 与无缓冲电路相比，图1（c）所示的缓冲电路虽能在一定程度上减小开关器件在开通和关断时的振荡，但仍然具有很大的峰值，这是主要是因为CS的取值偏小所引起，将图1（c）中的CS增大至600nF时进行仿真，其关断波形如图6所示，有效地抑制了关断浪涌的产生。 另外，通过对不同频率下前述两种缓冲电路的仿真分析发现，其效果基本一致，随着开关频率的增加，两个尖峰电压都呈减小趋势[4]。这是因为阻感性负载对母线电流的变化有抑制作用，频率高到一定程度母线电流还未达到稳定值开关管便被关断，而两个电压尖峰都与母线电流有关，但随着频率的增加，其关断波形变差，输出功率降低，所以在高频时一般采用软开关。  图6 增大图1（c）中Cs后的关断波形 5 结语 本文通过仿真分析了常用的C型缓冲电路及一种电容可变的缓冲电路，两种电路均能有效地抑制开关器件开通和关断时的瞬态电压峰值，相比而言，文献[2]中提出的缓冲电路虽然相对复杂，但效果更佳。 总之，在实际应用中，有效地利用仿真工具针对不同电路情况对缓冲电路进行分析，可以实现电路参数的优化，找到满足设计要求的电路。 |
