1.4 续流和换流

1.4.1 功率二极管的续流

在图1.23所示的理想开关和电感串联的电路中，开关闭合后，电感电流线性上升，电感两端产生感应电压，电感储能。当理想开关由闭合状态切换为断开状态时，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1.27所示。也就是，当理想开关闭合后，电流流过电感；当理想开关断开后，电感电流通过二极管释放储能，形成一个电流的续流回路。

图1.27 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1.28所示，理想开关在toff时刻断开，有了功率二极管的续流回路，开关两端就没有出现尖峰电压。图中的实线表示二极管具有理想特性，电感电流在二极管续流时保持恒定。虚线表示二极管具有准理想特性，功率二极管有通态压降，消耗功率；理想开关关断后，电感电流逐渐下降至零，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。

图1.28 二极管续流电路的电压电流曲线

1.4.2 功率半导体器件的换流

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，换流则是功率电子电路中支路间电流的转移。假设图1.29中的感性负载电流包括电感L和电阻R流过的交变电流iL，4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iL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1.29中做了规定。

图1.29 功率电子电路的换流原理

假设图1.29（a）中的功率半导体器件为理想开关，电源US为恒压源，那么如果要形成图1.29（b）的感性负载的电流波形，需要进行开关切换。

（1）0～t1时刻，开关S1和S4闭合，开关S2和S3断开，US、S1、L、R和S4形成电流回路，负载电流iL从0时刻开始逐渐上升，直至t1时刻S1和S4断开，如图1.30（a）所示。

（2）t1～t3时刻，开关S2和S3闭合，开关S1和S4断开。由于电感的能量需要释放，C、VD2、L、R和VD3形成电流回路，负载电流iL从t1时刻开始逐渐下降，直至t2时刻降为0。同时，在t2时刻负载电流的回路切换为US、S2、L、R和S3，负载电流继续下降，直至t3时刻S2和S3断开，如图1.30（b）所示。

（3）t3～t4时刻，开关S1和S4闭合，开关S2和S3断开，C、VD1、L、R和VD4形成电流回路，负载电流iL从t3时刻开始逐渐回升，直至t4时刻为0。同时，在t4时刻负载电流的回路开始切换为US、S1、L、R和S4，如图1.30（c）所示。

图1.30 功率电子电路的换流过程

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，器件的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转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转换电路的经济技术性能会产生影响。换流过程涉及器件的开关过程，它随着器件的控制及性能的不同而不同，在实际电路的设计和调试中应得到足够重视。