在功率电子电路中,电感器是常用的储能元件,它的电流发生突变,所连接的电路开关可被高压击穿。因此,保持电感电流的连续流动,是功率变换器安全工作的一个基本要求。
在图2.23所示的理想开关和电感串联的电路中,开关导通后,电感电流线性上升,电感两端产生感应电压,电感储能。当理想开关由导通状态切换为关断状态时,电感电流突变为零,电感产生的感应电动势反向,将阻止其电流的变化,理想开关两端出现电压尖峰。
当电感中有电流流过时,串联的开关被切断后,必须给电感提供电流流通的回路,以消除因电感电流突变而施加在开关上的电压尖峰。利用功率二极管的单向导电特性,将其与电感反并联,如图2.27所示。也就是,当理想开关导通后,电流流过电感;当理想开关关断后,电感电流通过二极管释放所储存的能量,形成一个电流的连续回路。
图2.27 电感的二极管续流电路
理想开关和电感的电压-电流变化曲线如图2.28所示。在 t off 时刻,图2.28a中的理想开关关断,功率二极管接续电感的电流。期间,理想开关的端电压保持为电源电压,没有出现尖峰电压,其电压曲线如图2.28a中的实线。如果考虑功率二极管的导通压降,电感电流逐渐下降至0,开关两端的电压叠加了二极管的导通压降,而后下降至电源电压,其电压曲线如图2.28a中的点画线。
另一方面,在 t off 时刻,图2.28b中电感的两端电压从电源电压陡然下降为0。对于理想的功率二极管,电感电流将保持不变,其电流如图2.28b中的实线。实际上,功率二极管有通态压降,消耗功率,电感电流逐渐下降,功率二极管的电压降形成了电感的负值端电压,其电压曲线如图2.28b中的点画线。
续流二极管常用快恢复二极管、肖特基二极管或碳化硅二极管,常应用在开关电源、继电器电路、晶闸管电路或逆变电路等中,注意:
①续流二极管是防止直流线圈断电时产生感应电动势形成的高压对电路功率半导体开关器件造成损害的有效手段。
②续流二极管对直流电压总是反接的,即二极管的阴极端与直流电压的正极端连接。也就是说,续流二极管的极性不能接错,否则将造成电路短路事故。
③续流二极管工作在正向导通状态,并非是击穿状态或高速开关状态。
图2.28 二极管续流电路的电压-电流曲线
a)理想开关 b)电感
功率电子电路中,续流是专门针对感性负载反并联二极管接续电感电流而言的,换流则是支路间电流的转移。
假设图2.29的感性负载包括电感 L 和电阻 R ,流过交变电流 i L ,四个全控型的功率半导体开关都反并联了二极管,那么负载电流 i L 必然在不同支路的功率半导体器件中转移流动。电源、电容、功率半导体器件和负载的电流方向在图2.29中做了规定。
图2.29 功率电子电路的换流原理
a)电路图 b)负载电流
假设图2.29a中的功率半导体器件为理想开关,电感 L 的初始电流为0,电源 U s 为恒压源,那么形成图2.29b的感性负载的电流波形,需要进行开关切换。
①0~ t 1 时刻,开关S 1 和S 4 导通,开关S 2 和S 3 关断, U s 、S 1 、 L 、 R 和S 4 形成电流回路,负载电流 i L 从0时刻开始逐渐上升,直至 t 1 时刻S 1 和S 4 关断,如图2.30a所示。
② t 1 ~ t 3 时刻,开关S 1 和S 4 关断,开关S 2 和S 3 导通。由于电感的能量需要释放, U s 、VD 2 、 L 、 R 和VD 3 形成电流回路,负载电流 i L 从 t 1 时刻开始逐渐下降,直至 t 2 时刻为0,如图2.30b所示。同时,在 t 2 时刻负载电流的回路切换为 U s 、S 3 、 R 、 L 和S 2 ,负载电流继续下降,直至 t 3 时刻S 2 和S 3 关断,如图2.30c所示。
图2.30 功率电子电路的换流过程
a)S 1 、S 4 电流 b)VD 2 、VD 3 电流 c)S 2 、S 3 电流 d)VD 1 、VD 4 电流
③ t 3 ~ t 4 时刻,开关S 2 和S 3 关断,开关S 1 和S 4 导通,VD 4 、 R 、 L 、VD 1 和 U s 形成电流回路,负载电流 i L 从 t 3 时刻开始逐渐回升,直至 t 4 时刻为0。同时,在 t 4 时刻负载电流的回路开始切换为 U s 、S 1 、 L 、 R 和S 4 ,如图2.30d所示。
对于功率半导体开关器件,各支路间电流的转移必然包含着功率半导体器件开关状态的变化。它有两个开关状态的变化,即通态器件的关断过程和断态器件的开通过程。由于开关器件和电路元件都具有能量存储或释放的惯性,器件开关状态的转换和电流的转移都不可能瞬时实现。因此,换流前后的两个电路存在稳态间的暂态过程,这一过程称为换流过程。可靠换流是所有电流变换电路顺利工作的必要条件,换流过程的长短和优劣对电流变换电路的经济技术性能会产生影响。