《电气开关 》(2008. No. 5) 文章编号 : 1004 - 289X (2008) 05 - 0051 - 03 15 RC缓冲电路的优化设计 杨凤彪 1 ,杨怡君 2 ,闫英敏 1 ,赵霞 1 (1 军械工程学院 ,石家庄 　050003; 2 河北工程大学 ,邯郸 　056000) 摘 　要 :在电力电子电路中 ,缓冲电路的设计是一个关键性问题 ,往往缓冲电路性能的好坏直接影响到系统的品 质 。缓冲电路就其拓扑机构来说有很多种 ,在结构上的复杂程度也不一样 ,主要对应用最多的 RC缓冲电路的设 计进行讨论 。RC缓冲电路结构简单 ,设计和安装也比较方便 ,但是一个设计优良的 RC缓冲电路同样能收到预 期的效果 。根据实际研究 ,给出了一个 RC缓冲器的计算实例 。 关键词 : RC;缓冲电路 ;尖峰电压 ;纹波 中图分类号 : TM13　　　　　文献标识码 : B The O ptim um D esign of RC Buffer C ircu it YAN G Feng biao1 , YAN G Y i jun2 , YAN Y ing m in1 , ZHAO X ia1 Hebei Engineering College, Handan O rdnance Engineering Institute, Shijiazhuang 050003, China; 2 (1 056000, China) Abstract: The design of RC buffer circuits is an important p roblem in electronic power circuits. The performance of the buffer circuit will effect the system. The circuit has many kinds for its topological mechanism and the comp lex degrees of the structure are different. RC buffer designswhich are app lied are discussed. The circuit is simp le in structure and conv ient in design and insullation, but RC buffer circuit of op timum design can achieve p redictive results. According to the p ractical research, an examp le of RC snubber is given. Key words: buffer circuit; peak voltage; ripp le wave 1　引言 设计一个系统时 ,由于电路中杂散电感和杂散电 容的存在 ,在功率开关管关断时电路中会出现过电压 并且产生振荡 ,如果尖峰电压过高 ,就会损坏开关管 , 同时振荡的存在也会使输出纹波增大 。图 1为半桥结 构带感性负载的 IGBT在没有缓存电路时的关断波 形 。这样的波形给电路的输出带来了较大的纹波 。为 了消除振荡减小纹波 ,需要在开关管两端并联缓存电 路以改善电路的性能 。 图 1　 IGBT的关断波形 　　缓存电路是并联在半导体开关管上起保护和改善 开关性能的电路 。作用如下 : (1)降低或消除电压 、电流尖峰 ; (2)限制 d I/ d t或 dV / d t; (3)使系统运行在安全操作区 ( SOA )内 ; (4)把 开关功率损耗转移到电阻或有用负载上 ; ( 5)降低总 的开关损耗 ; (6)通过钳位电压和电流振荡降低 EM I。 关于缓冲电路的拓扑结构有许多种 ,但是应用最 多的是 RC钳位缓冲电路和 RCD 关断缓冲电路 。本 文主要对 RC缓冲电路的设计进行讨论 。 2　RC缓存电路设计 利用电路的交流特性进行缓冲电路的最优化设 计 。首先需要确定电路的杂散电感 ,然而杂散电感是 特定电路布局固有的特性 ,通常是不容易计算出来的 。 我们用测量的方法来确定杂散电感的大小 。在没有加 任何缓冲器的时候 ,用示波器观察开关管关断时的一 个振荡周期 ,记为 T1 ;接着在开关管两端并联一个容 

25 《电气开关 》(2008. No. 5) 值确定的电容 ,称之为测试电容 Ctest ,重新测量开关管 关断时的一个振荡周期 ,记为 T2。电路的杂散电感就 可以用下式进行计算 。 Lp = ( T2 2 - T2 1 ) 1 4π2 Ctest (1) 在知道了电路的杂散电感后 ,利用下式就可以求 出电路的杂散电容 。 Cp = 1 Lp ( 2πfi ) 2 (2) 其中 , fi 为在没有增加缓存电路时的振荡频率 。 在功率开关管闭合的时候 ,缓冲电容对于电压的 变化来说相当于短路 ,那么缓冲电路当中就相当于只 有电阻 。缓冲电阻的选择不能大于电路的特性阻抗 , 这样在开关闭合的时候就能够把感应电流连续的进行 缓冲吸收 ,不会有瞬态电压的产生 。缓冲电阻的选择 利用下式进行计算 : R s ≤ Lp /Cp (3) 在进行设计的时候 , R s 的值应该比 ( 3)式所计算 的值要小 ,从而减小电压的过冲 。比较合适的电阻值 为杂散 LC电路特性阻抗的一半 。在 RC缓存电路是 一种耗能电路 ,在缓冲电容上存储的能量都要消耗在 缓存电阻上 ,在电容中存储的能量用下式来计算 : PC = 1 2 CsV2 o (4) 其中 Vo 为关断电压 。在电阻上消耗的能量与每 个周期当中电容的存放电次数成正比 ,所以电阻上消 耗的能量应该用下式来计算 : Pr = 1 2 CsV2 o n (5) 其中 n为每个周期电容的存放电次数 ,例如 ,在半 桥电路中 ,每个周期中有两次电压转换 ,所以电阻上消 耗的能量为 : Pr = CsV2 o f 其中 f为开关频率 。 缓存电容的选择要满足两个要求 ,首先 ,缓存电容 能够存储的能量要比电路中杂散电感存储的能量要 大 ,也就是要满足下式 : (6) 1 2 Lp I2 o > CsV2 1 2 其中 I为电路的关断电流 。其次 ,缓存电路的时 间常数要比功率开关管的导通时间短 ,这样在开关管 导通的时候存储在缓存电路中的能量才能够释放完 毕 。缓存电容的选择还要满足下式 : (7) (8) Cs < ton /10R s 为了降低在电阻上的功率损耗 ,缓存电容的选择 可以在允许范围内选一个较小的值 ;如果选择的缓存 电容达到了 Cs 的 8～10倍 ,几乎可以抑制在开关管上 的电压过冲 ,当然这个时候缓存电阻的功率就需要大 一些 。 3　计算实例 笔者在进行大功率直流电源课题的研究工作中 , 进行了 RC缓存电路的设计 ,主电路结构采用半桥结 构 。电路参数如下 :电路的开关频率为 15kHz,功率开 关管关断时承受的电压 Vo = 300V ,导通时间为 20μs, 电流为 11A ,在没有接任何缓存电路的时候对功率开 关管进行测试 ,用示波器观察到的图形如图 1所示 ,可 以看出 T1 = 0 7nF 的电容后进行观测 ,波形图如图 2所示 。 42μs,在开关管两端并联了一个 4 从图 2中可以看出 , T2 = 0 利用式 (1)和式 (2)可以记算出电路中的杂散电 57nF。根据式 感和电容分别为 Lp = 2 84μs。 85μH , Cp = 1 2 1 85 ×10 - 6 57 ×10 - 9 = 42 (3)计算缓存电阻 R s = 6Ω ,在实际 选用时电阻的取值为 40。根据式 ( 7) 、( 8)确定缓冲 电容为 Lp I2 V2 o 83nF < Cs < 50nF, ,计算得 3 ton 10R s < Cs < 7nF。确定缓存电容的 在实际选用时电容的取值为 4 大小后根据式 (6)确定电阻消耗的功率为 6 345W ,实 际选取电阻的功率为 20W。在功率开关管并联了 RC 缓存电路后得波形如图 3所示 。 图 2　并联电容后 IGBT　　图 3　并联 RC缓存电路 　　　　　的关断波形 　　　　　　后 IGBT的关断波形 从图 3可以看出 ,在功率开关管两端并联了 RC 缓存电路后 ,开关波形得到明显的改善 ,振荡基本消 失 ,只有一个冲击 ,并且冲击电压的峰值也相应减小 。 这个波形已经可以满足需要了 ,带来的纹波也很小 。 4　结论 缓冲电路设计的好坏直接影响到系统的整个性 能 ,参数选择不合适就很难取得好的效果 。本文基于 开关管的开关状态 ,详细讨论了 RC缓冲器的设计原 (下转第 70页 ) 

2 《电气开关 》(2008. No. 5) 时间 、打开时间来进行调整 ,而且调整范围非常有限 。 通常调整合闸电磁铁间隙 、合闸脱扣机构以及其他相 关环节方可实现合闸时间调整 ; ④分闸时间的调整是通过对分闸电磁铁间隙、分闸 脱扣机构以及其他相关环节方可实现合闸时间调整。 而对于 220kV自能式断路器 ,目前国内没有大操 作功的弹簧操动机构可用来实现三极操作 ,只有靠每 极一台机构―分极操作 、三极通过电气联动完成断路 器的可靠动作 。这就要求各机构之间弹簧力值尽量靠 近 ,本体机械尺寸尽可能接近 ,以保证机械性能稳定 性 。要解决三极时间特性满足技术要求 ,批配起来非 常困难 。笔者根据自己从事产品出厂试验经验 ,认为 主要通过以下环节进行合适的调节 : (1)在保证分合闸速度合格范围条件下 ,对时间 特性不能满足要求的各极进行弹簧压缩 、放松 ,以调整 时间 、同期等不能满足要求的相关单极 。 (2)在时间特性接近 、速度合格 、同期相差不大的 情况下 ,调整电磁铁间隙 、合闸脱扣机构以及其他相关 环节也可取得满意效果 。 (3)弹簧操动机构发展至今已有近二十多年 ,但 其结构 、原理仍处于研究阶段 ,因而其调整方法更需深 入研究 、学习 。 07 般的调试方法是首先调整好超行程和分闸弹簧 ,使分 闸速度达到某一合适值 ,再调整合闸速度才有意义 。 分闸速度高 ,相应合闸速度低 。实际工作中 ,经常要进 行多次调节 。调试过程中 ,分闸速度居高不下 ,为了断 路器可靠合闸 ,把合簧力加大 ,导致合闸速度过高 ;减 小合簧力 ,又合不上闸 ,这就需要更换为性能较软的分 闸弹簧 ,以便调试 。 合闸速度必须在断路器合闸到位情况下测试 。超 程大或其他原因 ,造成阻力过大 ,合闸不到位 ,测量速 度低 ,不能定义为合闸速度 。 4　分 、合闸时间调整 断路器分 、合闸时间是指从接到分 、合闸指令到所 有极的触头分离及所有极的动触头闭合的时间间隔 。 其中分闸时间包括分闸命令发出到分闸脱扣机构打 开 、分闸脱扣机构打开到动触头分离两段时间 。后一 部分属于机械传动部分 ,对于给定的机构和断路器 ,它 是固定的 ,不便调整 ,所以只能对前一部分进行调节 。 而前一部分时间主要决定于分闸电磁铁特性 、电磁铁 间隙 、电磁铁作用力大小等 。 合闸时间包括合闸命令发出到合闸脱扣机构打 开 、合闸脱扣机构打开到动触头完全闭合两段时间 。 对于断路器三极共用的一台机构来说 ,分 、合闸时 间主要通过以下几种方法进行调节 : 收稿日期 : 2008 - 09 - 10 (1)在分 、合闸速度合格范围内 ,对分 、合簧进行 调节 。主要针对分 、合闸时间与技术条件差距比较大 的断路器调节 ,幅度较大 。 (2)电磁铁的调整主要是调整电磁铁出力大小 , 保证电磁铁快速启动 ,缩小电磁铁动作时间 。 根据以下断路器单极合闸时间图例 ,我们可以简 单了解调整电磁铁对断路器时间的影响 : 图 1　 从上图可以分析判定 : ①断路器行程对合闸时间起决定作用 ,但该参数 在出厂试验时已经确定 ,无法调节 ; ②辅助开关切换动作时间因其结构决定 ,无法调整 ; ③因而合闸时间的调整 ,只能通过对电磁铁启动 (上接第 52页 ) 理和步骤 ,试验证明本文所给出的方法是完全可行的 。 在实际工作当中 ,可以根据情况来决定选用何种拓扑 结构的缓存电路 。RC缓存电路虽然结构简单 ,缓存器 的设计也较为方便 ,但是工作的时候在缓存电阻上会 有功率损耗 ,如果缓存电路的功耗对整个系统来说是 不能接受的 ,那么可以在 RC缓存器的基础上改造成 无功耗的缓存形式 。 参考文献 [ 1 ] 　W illiam McMurray, OPTIMUM SNUBBERS FOR POW ER SEM ICON DUCTORS[A ]. IEEE IAS transactions, Vol. IA - 8, No. 5, Sep t/Oct 1972, pp. 593 - 600. [ 2 ] 　王兆安 ,黄俊. 电力电子技术 [M ]. 4 版. 北京. 机械工业出版社 , 2003. 9. 收稿日期 : 2008 - 02 - 27 作者简介 :杨凤彪 (1977 - ) ,男 ,河北省怀安人 ,讲师 ,硕士 ,主要研究方向为大功 率直流电源以及电磁兼容技术 、武器装备随动系统 。 杨怡君 (1978 - ) ,女 ,河北省邯郸人 ,助教 ,硕士 ,主要研究方向为电力 系统自动化 、智能检测 。