緩沖式軟開關(guān)直流變換器的諧波分析
本文對緩沖式軟開關(guān)直流變換器進行了分析,并且將變換器的輸入和輸出波形的諧波與硬開關(guān)電路相比較。結(jié)果表明該電路在具備了軟開關(guān)特性的同時,還可以有效地降低高次諧波含量。
1 引言
在開關(guān)電源發(fā)展過程中,由于軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使開關(guān)頻率和功率密度得到了提高,但是工作頻率的提高卻導(dǎo)致了其內(nèi)部電磁環(huán)境的惡化,影響開關(guān)電源本身和外部電子設(shè)備的正常工作。在抑制EMI方面,抑制干擾源是一個治本的方法。但是將軟開關(guān)技術(shù)與抑制EMI結(jié)合起來,還需要在電路拓撲設(shè)計和參數(shù)選擇等方面加以研究。
在功率電子技術(shù)發(fā)展過程中,緩沖電路最早是被用來改善開關(guān)元件的工作條件,如避免SCR的誤觸發(fā)和安全導(dǎo)通等。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中,廣泛采用高頻化全控型功率開關(guān)元件,緩沖電路的作用已經(jīng)轉(zhuǎn)變到了減小開關(guān)損耗,實現(xiàn)軟開關(guān)方面。由于緩沖式軟開關(guān)技術(shù)具有其特有的優(yōu)點,各種無損耗、低損耗的無源或有源形式的緩沖技術(shù)正受到越來越密切的關(guān)注、研究和應(yīng)用。通過研究我們發(fā)現(xiàn),緩沖式軟開關(guān)技術(shù)在實現(xiàn)軟開關(guān)的同時,對抑制高次諧波也有比較明顯的作用。本文以buck電路為例,利用互感元件構(gòu)成緩沖式軟開關(guān)電路,并對其諧波特性進行比較分析。
2 電路拓撲與工作原理
電路拓撲如圖1所示。開關(guān)元件T在開通時與L2串聯(lián),用以實現(xiàn)對開關(guān)電流的緩沖,延緩其上升的速度,實現(xiàn)開關(guān)元件T的零(低)電流開通;開關(guān)元件T在關(guān)斷時,二極管D2續(xù)流導(dǎo)通,電容C1對s點電位的下降起到緩沖作用——T兩端電壓上升的速度被減緩,從而實現(xiàn)開關(guān)元件T的零(低)電壓關(guān)斷?;ジ性淖饔迷谟趯崿F(xiàn)L3和C2儲能和能量釋放之間的無損壞傳輸。加入隔離二極管D2、D3用以防止C2與 L2 、L3之間構(gòu)成LC諧振,否則將導(dǎo)致開關(guān)應(yīng)力的增加和過渡過程的延長。
圖1 緩沖式軟開關(guān)電路
根據(jù)電路工作狀態(tài),采用時域分段方法分析各區(qū)間的工作情況。電路進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后,開關(guān)導(dǎo)通時,互感器的等效漏感Lσ與開關(guān)串聯(lián),并且iLσ=0,所以在開關(guān)導(dǎo)通瞬間,iT=0——實現(xiàn)零電流開通。
在開關(guān)導(dǎo)通的同時,L3上感應(yīng)電壓uL3>0,D3導(dǎo)通,給電容C2充電。這個過程一直持續(xù)到uC2=Vi,D2導(dǎo)通,對L3續(xù)流。隨后iL3逐漸衰減至零,D2、D3截止。
開關(guān)斷開時,由于漏感Lσ的續(xù)流,使二極管D2導(dǎo)通。此時電容電壓uc2=Vi,因此開關(guān)元件兩端電壓uT=0——由于電容電壓不能突變,因此C2的緩沖作用實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。
電容C2放電過程帶有一個附加的振蕩過程:當(dāng)uC2=0時,L1、L2的續(xù)流作用使C2反向充電,uC20,導(dǎo)致二極管D3導(dǎo)通。此時電流iL3一部分給電容C2充電,使uC2=0;另一部分流入L1。由于L1上的感應(yīng)電壓為負值,續(xù)流電流iL3逐漸減小至零,使得L2上的電流也減小至零。這時二極管D1導(dǎo)通,給L1續(xù)流, L1中的儲能向負載和電容C1釋放,直到下一個導(dǎo)通時刻的到來。仿真波形如圖2所示。從仿真結(jié)果看,開關(guān)元件的開通電流和關(guān)斷電壓被有效地緩沖,其負載線動態(tài)軌跡緊靠坐標(biāo)軸(圖3)。從uD1、iD1波形可以看出,其關(guān)斷是一個漸變的過程,說明緩沖電路對這種無源開關(guān)元件也具有降低開關(guān)損耗的作用。
圖2 仿真波形 圖3 開關(guān)元件的動態(tài)軌跡
3 諧波分析與比較
在圖4所示的硬開關(guān)buck電路中,PMOS管T和二極管D1作為開關(guān)元件,是主要的躁聲源。除輻射影響外,它的輸入電流和輸出電壓中的諧波對外電路影響較大。
從工作波形分析與仿真結(jié)果中可以看到,與硬開關(guān)電路相比,緩沖電路對外部電路而言,主要是對直流變換電路的輸入電流和輸出電壓波形產(chǎn)生影響:
a 由于開關(guān)開通時,互感L3支路給電容C2充電,因此濾波電感中的電流iL1除激磁分量iL1a外,還有一個負載分量iL1b,即:
負載分量的增加,使輸入電流波形產(chǎn)生一個正向脈動。但由于緩沖作用使輸入電流的di/dt值減小,因此總的諧波含量下降(見圖5)。
圖4 硬開關(guān)buck電路 圖5 輸入電流諧波比較
b 開關(guān)斷開后,二極管D2續(xù)流導(dǎo)通,電容C2放電——緩沖開關(guān)電壓。放電結(jié)束后,D3續(xù)流導(dǎo)通。這是一個換路過程,此時,L1、L2、L3成串聯(lián)關(guān)系,由于在串聯(lián)支路中,L1與L3的同名端方向相反,支路總電感量減?。?/P>
L=L1+L2-L3
為維持磁勢平衡,電感電流則相應(yīng)增大:
從以上分析可以看出,緩沖電路的兩個緩沖過程,對電網(wǎng)而言,由于變換器輸入電流諧波成分的降低而減小了污染;對輸出而言,脈動的影響也不大,諧波并無明顯的增加,因此容易濾除。
圖6 濾波電感的電流波形 圖7 濾波電感的電流諧波
4 結(jié)束語
通過以上分析可以看到,緩沖式軟開關(guān)電路不但具有軟開關(guān)特性,減小開關(guān)損耗,而且還可以起到抑制諧波的作用。這對于降低電磁干擾和減小電網(wǎng)污染具有重要意義。
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