电力电子技术-功率晶体管的缓冲电路
IGBT缓冲电容及电路
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。
电力电子技术-晶体管功率电路1(BUCK)
（三）电路参数设计（二极管）
• 二极管一般选开关二极管， +
QA L
+
快恢复二极管， 在低压场
合优选肖特基二极管
Ui
ub b
D C
RL Uo
• 二极管的平均电流和有效 -
-
电流为
二极管的最
大电流？
• 二极管的电压满足：
33
（三）电路参数选择（电感）
• 为保证电感在所有工作条件下电感电流连续，有：
基本
3
第九章 晶体管功率电路---概述
将一种直流电变为另一种直流电 如何实现?
例
4
第九章 晶体管功率电路---概述
例：一个500W dc-dc功率变换器
三种解决方案： 1. 电阻分压 2. 线性稳压电路 3. 高频开关电路
5
例：500W dc-dc功率变换器
电阻分压器电路 缺点：低效率， 不能自动调压
TON TOF' TOF
Io
t
t
27
电流断续时分析
• 将TOF’代入
• 即有输出电流： • 得到输出电压：
D不变，Io、UO； IO变化，要稳定Uo，应
改变D
28
BUCK变换器的外特性——标幺曲线
•右边为电流连续，输出电压只与占空比相关 •左边为电流断续，输出电压与负载电流也有关 •当Io＝0时，输出电压均为输入电压 •电流断续时，维持同一输出电压，占空比变化很 大，易失控
UO为直流电压；
器件为理想的；
16
BUCK电路模态分析
⑴当Q导通时： 因 Uo<Ui, L储能;
UA=Ui
A
UL
D
电感电流线性上升
电力电子技术题库及答案整理版
电力电子技术题库及答案整理版《电力电子技术》习题&答案一、填空题(每空1分，共５０分)1、对同一晶闸管，维持电流IH与擎住电流IL在数值大小上有IL__大于__IH。
2、功率集成电路PIC分为二大类，一类是高压集成电路，另一类是______智能功率集成电路_________。
3、晶闸管断态不重复电压UDSM与转折电压UBO数值大小上应为，UDSM__小于__UBO。
4、电阻负载三相半波可控整流电路中，晶闸管所承受的最大正向电压UFm等于_UFm为相电压有效值。
5、三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差__________120°_______。
6、对于三相半波可控整流电路，换相重叠角的影响，将使用输出电压平均值_______下降______。
7、晶闸管串联时，给每只管子并联相同阻值的电阻R是_____________静态均压________________措施。
8、三相全控桥式变流电路交流侧非线性压敏电阻过电压保护电路的连接方式有___Y形和△形___二种方式。
9、抑制过电压的方法之一是用_____储能元件_______吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。
10、180°导电型电压源式三相桥式逆变电路，其换相是在___同一相_的上、下二个开关元件之间进行。
11、改变SPWM逆变器中的调制比，可以改变_________________输出电压基波________的幅值。
12、为了利于功率晶体管的关断，驱动电流后沿应是___________(一个)较大的负电流__________。
13、恒流驱动电路中抗饱和电路的主要作用是_________减小存储时间________________。
14、功率晶体管缓冲保护电路中二极管要求采用___快速恢复__型二极管，以便与功率晶体管的开关时间相配合。
15、晶闸管门极触发刚从断态转入通态即移去触发信号，能维持通态所需要的最小阳极电流，称为：_____________________维持电流_______________________。
电力电子技术课程实验指导书
《电力电子技术》课程实验指导书一、课程的目的、任务本课程是电子科学、测控技术专业学生在学习电力电子技术课程中的一门实践性技术基础课程，其目的在于通过实验使学生能更好地理解和掌握电力电子基本理论，培养学生理论联系实际的学风和科学态度，提高学生的电工实验技能和分析处理实际问题的能力。
为后续课程的学习打下基础。
二、课程的教学内容与要求包括三个子实验：1、单相交流调压电路实验通过该实验加深理解单相交流调压电路的工作原理和单相交流调压电路带电感性负载对脉冲及移相范围的要求。
2、功率场效应晶体管（MOSFET）特性与驱动电路研究掌握MOSFET对驱动电路的要求并且熟悉MOSFET主要参数的测量方法。
3、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）特性与驱动电路研究掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。
三、各实验具体要求见P2四、实验流程介绍学生用户登陆进入实验系统的用户名为：D+学号（D205003200XX)，密码：netlab五、实验报告请各指导老师登陆该实验系统了解具体实验方法，并指导学生完成实验。
学生结束实验后应完成相应的实验报告并交给指导老师。
其中实验报告的主要内容包括：实验目的，实验内容，实验结果和实验心得等。
实验一单相交流调压电路实验一．实验目的：1．加深理解单相交流调压电路的工作原理；2．加深理解单相交流调压电路带电感性负载对脉冲及移相范围的要求。
二．实验内容：1．单相调压电路带电阻性负载实验；2．单相交流调压电路带电阻电感性负载实验。
三．实验步骤：在客户端实验界面中的实验列表框中选择“电力电子实验”下的“单相交流调压实验”子实验，出现“单相交流调压实验”的实验界面。
点击工具栏的开始实验按钮，开始“单相交流调压实验”。
点击图中电阻和电感边上的红点选择电阻和电感，进行电路连接。
然后在“晶闸管脉冲触发角度”框中输入“0—360”之间的任意角度，然后点击“开始”按钮，开始实验。
右边界面将出现三路波形，其中蓝色为电源电压波形，黄色为负载电压波形，红色为负载电流波形。
《电力电子技术(第二版)》课后习题及解答
《电力电子技术》习题及解答第1章思考题与习题1.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。
导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A决定。
1.2晶闸管的关断条件是什么?如何实现?晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流I A减小，I A下降到维持电流I H以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。
进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A决定。
1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流I H会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。
1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：(1) I g=0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt 过高；(3) 结温过高。
1.5请简述晶闸管的关断时间定义。
答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。
即gr rr q t t t +=。
1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。
1.7请简述光控晶闸管的有关特征。
答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。
主要用于高压大功率场合。
1.8型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)图题1.8答：（a ）因为H A I mA K V I <=Ω=250100，所以不合理。
「电路赏析」使用缓冲电路的晶闸管
「电路赏析」使用缓冲电路的晶闸管缓冲电路是吸收能量搞得电路，用于舒缓因电路电感造成的电压尖峰。
有时候，因为过流，过压以及过热，元器件会出现损坏。
而过流保护的电路我们有保险丝，过热有散热器或风扇。
缓冲电路则用于限制电压或电流的改变速率（di/dt或dv/dt）以及电路开关时的过压。
缓冲电路是电阻与电容的串联，然后与晶体管或晶闸管这样的开关相连，起到保护和提高性能的作用。
开关和中继间的缓冲电路也可以用来防止电弧产生。
在该项目，我们将告诉你缓冲电路是如何保护晶闸管免受过压或过流影响的，整个电路由缓冲电路和晶闸管以及555定时器的频率生成电路组成。
所需元器件•晶闸管TYN612•555定时器•电阻（47kΩx2,10kΩx2,1kΩx1，150Ωx1）•电容（0.01uF，0.001UF，0.1uFx2）•二极管1N4007•开关•9V电源•示波器（用于输出确认）电路图电路的第一部分是555定时器组成的频率生成电路。
当555定时器以无稳态模式工作时，我们可以得到一个100kHz的脉冲。
电路的第二部分则用于获取加入缓冲电路后晶闸管的开关特性。
晶闸管-TYN612TYN612中的6代表着断态重复峰值电压，VDRM和VRRM为600V，而12代表着通态电流有效值IT(RMS)为12A。
晶闸管TYN612可以用于过压撬棍保护，电机控制电路，励磁涌流闲置电路，电容点火和稳压电路中。
它的门极触发电流IGT范围在5mA到15mA。
其工作温度范围在-40℃到125℃。
TYN612的引脚图TYN612的引脚配置缓冲电路的设计我们知道，缓冲电路是电阻与电容的组合。
电路中的电容则负责防止不必要的dv/dt来触发紧张管。
因为电路通电后，开关设备会产生一个瞬时的电压。
电容Cs起到短路的作用，也就使得晶闸管两端的电压为0。
一段时间过后，电容Cs两端的电压慢慢增加。
那么电阻Rs起到什么作用呢？当晶闸管打开时，电容通过晶闸管放电，并发出Vs/Rs大小的电流。
电力电子技术-第6-8章习题解析
2.单相交流调压电路带电阻负载和带阻感负载时所产生的谐波有何异同？ 答：两种负载时所产生的谐波次数均为3、5、7…次，都随着次数增加，谐 波含量减少。但阻感负载时谐波含量要比电阻负载时小一些，而且控制角相同 时，随着阻抗角的增加，谐波含量减少。 3.斩控式交流调压电路带电阻负载时输入输出有何特性？ 答：斩控式交流调压电路带电阻负载时的输入为正弦波的交流电压，输出 基波分量和输入电压同相位，位移因数为1。且输出负载电流及电压不含低次 谐波，只含与开关周期T有关的高次谐波。
U1 220
组合变流电路 (3)
3.一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中 R=0.5Ω，L=2mH。试求：
①控制角α的移相范围； ②负载电流的最大有效值； ③最大输出功率及此时电源侧的功率因数；
解：（1） （2）
ϕ
=
arctan
⎛ ⎜⎝
ωL R
⎞ ⎟⎠
=
arctan
2π
× 50× 2×10−3 0.5
输出星形联结方式中电动机中性点不和变频器中性点接在一起。电动机 只引出三根线即可。因为三组单相交交变频电路的输出联接在一起，其电 源进线就必须隔离，因此三组单相交交变频器分别用三个变压器供电。
组合变流电路 (3)
6.在三相交交变频电路中，采用梯形波输出控制的好处是什么？为什么？ 答:改善功率因数，提高输出电压。 梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消
大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究
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。
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第四节 无损缓冲电路
“无损缓冲”的含义 一、关断缓冲电路
图10－14
25
无损关断缓冲电路
原理： 1）Q关断、D续流期间：uC1＝uC2＝0，iL1＝0 2）Q导通后，C1、C2通过L1谐振充电，至uC1＝uC2=Ui并保持 3）Q再次关断时，C1、C2分别通过D2、D1放电，
uce
ie 0
t1 t2 t3 t4
10
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
2. 关断过程
uce
ie,
0
11
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
3 开通/关断负载线 开通---- A-B-C 关断---- D-E-A
都经过过损耗区
C-D段？ 思考
12
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
关断缓冲波形：
Ui
无关断缓冲
uce
有关断缓冲
ie
t1-t2存储时间 0
t2-t3退出饱和 t3-t4下降时间
P=iuce
t1 t2 t3
t4
15
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
参数设计: C1，R1 1. C1－－假设：Q的ic在其下降时间tf 内是线性的
C1大 uce上升慢,ic下降到0时,uce尚未升到Ui C1小 uce上升快, ic下降到0之前,uce已经升至Ui
IL
C1=(0.12---1)Cn
Cn IL tf 2Ui
-+
从”Q导通期间C1 电荷放完”考虑: 选择电容R1 : (10-
22)
4R1C1 ≤ TONMIN
20
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
三、开通负载线整形电路 与”关断缓冲”对偶：目的－－限制dic /dt
电路－－ 原理－－1) dic /dt限制; 2)L2储能释放 IL
二、关断负载线整形及其参数选择 电路：
13
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
原理： 1) Q导通期间uce＝0，故uC1＝0
2) Q关断时，C1使 uce 缓慢上升 3) Q再次导通时,C1通过R1、Q放电至uce＝0
IL
IL
IL
-+
-+
Q： on
on off
off on 14
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
-+
21
3.开通负载线整形电路
+
L
RL +
Ui
D2 R2 D
C
Uo
_
_
b Q L2
关于开通缓冲电路★ ：
（1）开通缓冲电路的本质——L与Q的串联限制了ic的增 长速度，针对开通的电流来缓冲；由此区分关断和开通缓 冲电路
（2）开通缓冲电路的不同画法——L、D、R组成，D、R 串联与L并联，由Q关断时L电流的流向定D的方向
ie+iD=iL
8
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
2. 关断过程 uce
Ui
图10-5
ie, iD
0
存储时间:Q仍 饱和导通
t5 t6 t7 t8 Q退饱和, ie 开始下降
ie+iD=iL
D导通, uce＝Ui ； id上升、ie下降
9
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
1. 开通过程
3
第一节 概述
缓冲电路的作用
改善开/关过程电压电流变化曲线, 开通/关断损耗
从而改善开关管 的 di/dt,du/dt 电流/电压尖锋
提高变换器的可靠性
4
第一节 概述
理想开关波形和理想开关负载线
ic
uce
ic
Ic
0
ic
t
0
开通过程
ic
uce
Ic
uce Ec
0
0 t 关断过程
uce Ec
5
缓冲电路分析例子：Buck变换器 第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
6
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路 一、工作波形分析
开通过程 关断过程 开通/关断负载线
问题
图10-5
ie+iD=iL=IL
IL
7
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
1. 开通过程 Ui
uce
图10-5
ie, iD
0
Q开始导通, ie上升、iD下降
t1 t2 t3 t4 iD反向恢复后关断
22
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
IL -+
开通与关断复合缓冲网络： 工作原理：
+
L
RL +
Ui
D2 R2 D
C
Uo
_
_
b Q L2
1)Q On期间 2)Q on->off 3)Q off期间 4)Q off->on
23
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
+
Ui
D1
C1
_
R1
Q的关断损耗（10-8）
Wg tf uceiedt ILUi tf
0
12
Q开通时R1的损耗（10-9）
Wr ILUi tf 4
总损耗（Ws=Wg+Wr）
17
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
(2) “大电容”缓冲电路 (3) “小电容”缓冲电路
a=TM/Tf（电容充电时间与晶体
自行分析
IL
---------分别分析
-+
16
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
IL
(1) “正常电容”缓冲电路
1
uc1
tf
1
(IL ie)dt
tf (IL (IL IL t))dt IL • t2
c1 0
c1 0
tf
c1 2tf
-+
当t=tf,uc1=Ui
C1 IL tf 2Ui
管电流下降时间之比） 式1010下
18
分析结果汇总
a=TM/Tf（电容充电时间与 晶体管电流下降时间之比） 式10-10以下
α=0.35~1.0 C=(0.12~1.0)Cn
19
第三节 电感电流连续时功率管负载线和缓冲电路
分析结果汇总：表10-1, 图 10-11
参数设计：
从”损耗最小”角度考虑: 选择电容C1 : (10-21)
Q
b
L
D
C
RL + Uo
_
R
的功率
POF
1 2
CU
2 i
f
(10 28)
+
L
RL +
Ui
D2 R2 D
C
Uo
_
_
b Q L2
R
的功率
PON
1 2
LI
2 L
f
(10 29)
开关过程吸收的能 量都消耗在电阻上， f高损耗大—有损缓 冲电路，降低变换 器效率
前面的开通和关断缓冲电路
要提高效率—（Pg235,倒第2段）应将缓冲电路 中的能量返回电源或消耗在负载上——无损 缓冲电路 ☺，既然无损当然不能有耗能元件 R，通常利用LC谐振软化开关过程、返送能量
第十章 功率晶体管的缓冲电路
1
第的含义 • 为什么要“缓冲” • “缓冲”的原理 • “缓冲”的方法（实现电路） • 负面作用
2
第一节 概述 影响电力电子器件/装置可靠性的因素
热应力-损耗
导通损耗 开/关损耗
电应力
电压尖峰 电流尖峰
di/dt,du/dt
(开关瞬间)